JP2014516838A

JP2014516838A - 熱可塑性材料から成る物品のための摩擦溶接接合部

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Publication number: JP2014516838A
Application number: JP2014512960A
Authority: JP
Inventors: エム．ボセールアンカー; コンダパリプラサンナ; ジェイ．マクマスターウィリアム
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2011-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2032-05-23
Also published as: EP2714401A4; MX350976B; KR101966471B1; WO2012162362A2; CN104093545A; MX2013013674A; CN104093545B; CA2837156A1; KR20140035411A; CA2837156C; JP6008951B2; WO2012162362A3; EP2714401B1; EP2714401A2; US9550348B2; US20140126954A1

Abstract

摩擦溶接接合部は、物品の第１及び第２のボディ部分を結合する。摩擦溶接接合部は、物品の第１のボディ部分から延びた第１のビードと、物品の第２のボディ部分から延びた第２のビードとを有する。第２のビードは、内側ステムと、内側ステムから間隔を置かれた外側ステムとを有し、これらのステムの間にキャビティを形成している。第１及び第２のビードは、第２のビードの中心線が第１のビードの中心線からずれた状態で互いに接触して配置される。第１及び第２のビードの間に摩擦を発生させ、第１及び第２のビードを塑性的に変位させるために、物品の第１又は第２のボディ部分に力が加えられる。第１及び第２のビードを融合させて、物品の第１及び第２のボディ部分を結合するために、力が除去される。

Description

相互関連出願への参照
本願は、２０１１年５月２３日に出願された米国特許仮出願第６１／４８８９２０号明細書に対する優先権及びその全ての利点を主張する。

発明の背景
１．発明の分野
本発明は、概して物品に関する。より具体的には、本発明は、熱可塑性材料から成る物品のための摩擦溶接接合部に関する。

２．従来技術の説明
物品の第１及び第２のボディ部分を結合するための摩擦溶接接合部の使用は、従来公知である。典型的な摩擦溶接接合部は、第１のボディ部分から延びた第１のビードと、第２のボディ部分から延びた第２のビードとを有する。典型的な摩擦溶接接合部の第１及び第２のビードのそれぞれは、接触面を有する。第１及び第２のビードの接触面は、互いに接触して配置され、第１及び第２のビードの接触面において摩擦を発生するように第１のボディ部分に力が加えられる。第１及び第２のビードは、熱可塑性材料から形成されており、摩擦は、熱可塑性材料のより高い温度を生ぜしめる。熱可塑性材料のより高い温度の結果、第１及び第２のビードは互いに嵌合する。その後、熱可塑性材料を冷却させるために第１のボディ部分から力が除去され、これにより、第１及び第２のビードの融合を生ぜしめる。

しかしながら、力が加えられているとき、少量の熱可塑性材料が、第１及び第２のビードからバリとして生じる。少量のバリは、第１及び第２のビードの融合を妨害する恐れがある汚れ及び堆積物を接触面から除去する手段として有利である。しかしながら、大量のバリは、廃棄物を生ぜしめ、したがって製造コストを増大させる。加えて、大量のバリは、摩擦溶接接合部を妨害する恐れもあり、これにより、摩擦溶接接合部の強度を低下させる。加えて、発生されたバリは、物品の意図した寿命の間にルーズになることがあり、これは、摩擦溶接接合部、場合によってはその他の構成部材の破損を生じる。例えば、エアインテークマニホルドの場合、バリは、ルーズになることがあり、空気・燃料混合物と混ざり、その結果、エンジンシステムに進入する恐れがあり、これは望ましくない。さらに、バリの発生は、第１及び第２のビードの嵌合の間の熱損失を示しており、これは、潜在的に、第１及び第２のビードによって達成されるべき所望の合計食込み量に対する不都合な影響を有する恐れがあり、したがって、適正製造基準（ＧＭＰ）として最小限にされるべきである。したがって、改良された摩擦溶接接合部を提供する必要性が残されている。

発明及び利点の概要
摩擦溶接接合部は、熱可塑性材料から成る物品の第１のボディ部分と第２のボディ部分とを結合する。第１のボディ部分は、第１の接合面を有し、第２のボディ部分は、第１の接合面に対して平行な第２の接合面を有する。摩擦溶接接合部は、第１のボディ部分に結合されかつ第１の接合面から中心線に沿って軸方向に延びた第１のビードを有する。摩擦溶接接合部は、第２のボディ部分に結合されかつ第２の接合面から中心線に沿って軸方向に延びた第２のビードをも有する。第１及び第２のビードの間に摩擦を発生させるために、物品の第１又は第２のボディ部分のいずれかに力が加えられる。摩擦は、第１及び第２のビードを塑性的に変位させる。第１及び第２のビードを融合させて、物品の第１のボディ部分及び第２のボディ部分を結合するために、力が除去される。

第２のビードは、内側ステムと、内側ステムから間隔を置かれた外側ステムとを有し、これらの間に、第１及び第２のビードの融合により生じた所定量のバリを受容するためのキャビティを形成している。第１及び第２のビードは、第２のビードの中心線が第１のビードの中心線からずれた状態で互いに接触して配置される。中心線をずらすことは、第１及び第２のボディ部分に作用する応力の結果として摩擦溶接接合部に作用する応力を減じる。摩擦溶接接合部の強度は高められるとともに、摩擦溶接接合部に伝達される応力は減じられる。したがって、物品は、従来の溶接接合部と比較して、摩擦溶接接合部が破損することなくより大きな圧力を受けることができる。

図面の簡単な説明
本発明のその他の利点は容易に認められるであろう。なぜならば、本発明は、添付の図面に関連して考慮されたときに、以下の詳細な説明を参照することによりさらによく理解されるからである。

内燃機関用のエアインテークマニホルドとして使用するための物品の斜視図である。図１の線２−２に沿って見た物品の断面図である。摩擦溶接接合部を示す、図２の一部分の断面図である。第２のビードが第１のビードに食い込んだ摩擦溶接接合部を示す、図２の一部分の断面図である。継手を有する試験物品としての物品の斜視図である。摩擦溶接接合部としての接合を示す、図５の試験物品の断面図である。択一的な接合設計としての接合を示す、図５の試験物品の断面図である。

典型的な実施の形態の詳細な説明
図面において、同じ参照符号は複数の図面を通じて、対応する部材を示している。図面を参照すると、物品が概して符号１０で示されている。図１及び図２に示したように、物品１０は、内燃機関用のエアインテークマニホルドとして形成されている。しかしながら、物品１０は、自動車用フロント及びリアテールランプハウジング、燃料タンク、又は２つの構成部材が振動溶接加工を用いて接合されるようなあらゆる用途であって、依然として開示の範囲に含まれるあらゆる用途などの、エアインテークマニホルド以外のものに形成されてもよいことが理解されるべきである。

概して、物品１０は、熱可塑性材料から成る。熱可塑性材料は、ニートの、すなわちバージンの、合成されていない樹脂であることができるか、又は熱可塑性材料は、樹脂が、他の成分、例えば何からの物理的特性を高めるための選択的な添加物と合成されている工業製品であることができることが認められるべきである。加えて、熱可塑性材料は、約５〜２５％の粉砕再生成分を有してもよい。典型的には、熱可塑性材料は、ポリプロピレン、塩化ポリビニル、ポリスチレン、アクリロニトリルブタジエンスチレン、スチレンブタジエン、アクリルスチレンアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリアセタール、ポリフェニレンオキシド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリフェニレンスルフィド、酢酸セルロース、ポリスルホン、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミド、及びそれらの組合せのグループから選択される。より典型的には、熱可塑性材料は、ナイロン６、ナイロン６／６、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリアセタール、アクリルスチレンアクリロニトリル、及びそれらの組合せのグループから選択されたポリアミドである。しかしながら、物品１０を製造するためにその他の熱可塑性材料が使用されてもよいことが理解されるべきである。加えて、熱可塑性材料は、上記列挙した材料のうちの２つ以上の配合物であってもよい。例えば、熱可塑性材料は、ポリアミド配合物、ポリプロピレン及びエチレンプロピレンジエンモノマー配合物、ポリフェニレンオキシド配合物、ポリカーボネート及びアクリロニトリルブタジエンスチレンポリマー配合物、及びポリカーボネート及びポリブチレンテレフタレート配合物のグループから選択されてよい。

必要ではないが、熱可塑性材料は、典型的には、５〜６５％が繊維によって充填されており、より好適には、熱可塑性材料は、３０％が繊維によって充填されている。繊維はガラス繊維であってもよいことが認められるべきである。適切な熱可塑性材料の例は、BASF社から市販されているUltramid ^(R) ポリアミド、Ultradur ^(R)、Ultraform ^(R)、Ultrason ^(R)、Luran ^(R)及びTerluran ^(R)グレードを含むが、これらに限定されない。

物品１０は、第１のボディ部分１２及び第２のボディ部分１４を有する。第１及び第２のボディ部分１２，１４は、物品１０を形成するために互いに結合するように構成されている。言い換えれば、第１及び第２のボディ部分１２，１４が結合されると、第１及び第２のボディ部分１２，１４は物品１０を形成する。図３を参照すると、第１及び第２のボディ部分１２，１４のそれぞれは、接合面１６を有する。言い換えれば、第１のボディ部分１２は、第１の接合面１６Ａを有し、第２のボディ部分１４は、第２の接合面１６Ｂを有する。第２の接合面１６Ｂは、第１の接合面１６Ａに対して平行である。摩擦溶接接合部１８は、第１及び第２の接合面１６Ａ，１６Ｂの間に配置されている。摩擦溶接接合部１８は、第１及び第２のボディ部分１２，１４を結合して、物品１０を形成する。

摩擦溶接接合部１８を介して第１及び第２のボディ部分１２，１４を結合するために、方法が使用される。摩擦溶接接合部１８は、第１の接合面１６Ａに結合された第１のビード２０を有する。第１のビード２０は、第１の接合面１６Ａから中心線２２に沿って軸方向に延びている。摩擦溶接接合部１８は、第２の接合面１６Ｂに結合された第２のビード２４も有する。第２のビード２４は、第２の接合面１６Ｂから中心線２６に沿って軸方向に延びている。第１及び第２のビード２０，２４のそれぞれは、第１の接合面１６Ａ又は第２の接合面１６Ｂのそれぞれ１つから間隔を置いて配置された接触面２８を有する。第１及び第２のビード２０，２４は、接触面２８の断面積を規定している。

第１及び第２のビード２０，２４はそれぞれ、第１の接合面１６Ａ又は第２の接合面１６Ｂと、第１又は第２のビード２０，２４の接触面２８それぞれとの間に規定された高さＨを有する。第１及び第２のビード２０，２４の高さＨは、典型的には、約５．０ｍｍ未満、より典型的には、約２．０〜約４．０ｍｍ、さらにより典型的には、約２．７〜約３．５ｍｍである。第１及び第２のビード２０，２４は、互いに比較して異なる高さを有してよいか、又は幾つかの例において、スペースの制約に応じて第１及び第２のビード２０，２４のうちの一方が省略されてもよいことが認められるべきである。例えば、第１のビード２０は第２のビード２４よりも短くてもよい又は長くてもよい。

第１及び第２のビード２０，２４はあらゆる適切な横断面形状を有してよいことが認められるべきである。例えば、第１及び第２のビード２０，２４のそれぞれは、矩形の横断面、又は円形の横断面を有してよい。第１のビード２０は、第２のビード２４と比較して異なる横断面を有してよいことが認められるべきである。例えば、第１のビード２０が矩形の横断面を有し、第２のビードが円形の横断面を有してもよい。

典型的には、第１及び第２のビード２０，２４は、物品１０の熱可塑性材料から成る。例えば、第１及び第２のビード２０，２４は、無充填の及び／又はガラス充填ナイロン、ナイロン６／６、塩化ポリビニル、ポリブチレンテレフタレート、ポリアセタール、及びそれらの組合せから成ってよい。第１及び第２のビード２０，２４は、第１及び第２のボディ部分１２，１４の熱可塑性材料と比較して異なる熱可塑性材料から成ってもよいことが認められるべきである。

第１及び第２のボディ部分１２，１４を結合する前に、第２のビード２４は第１のビード２０から間隔を置かれている。第１及び第２のビード２０，２４は、第２のビード２４の中心線２２が第１のビード２０の中心線２６からずれた状態で互いに接触して配置される。より具体的には、第１及び第２のビード２０，２４のそれぞれの接触面２８は、互いに接触して配置される。第１及び第２のボディ部分１２，１４を一緒に一時的に保持するために、第１及び第２のボディ部分１２，１４に締付け圧力が加えられてもよい。締付け圧力は、典型的には、約１．０〜約７．０、より典型的には約１．２〜約４．０、さらにより一般的には約１．５〜約２．５Ｍｐａである。

第１及び第２のビード２０，２４の間に摩擦を発生させるために、物品１０の第１又は第２のボディ部分１２，１４のいずれかに力が加えられる。力の提供は、第１及び第２のビード２０，２４の接触面２８の間に摩擦を発生する。摩擦は、熱を発生し、この熱は、標準温度から熱可塑性材料の融解温度に向かって第１及び第２のビード２０，２４の熱可塑性材料の加熱を生ずる。力の提供は、さらに、第１及び第２のビード２０，２４を摩擦溶接するものと定義されてよく、これにより、第１又は第２のボディ部分１２，１４のうちの一方は、第１及び第２のビード２０，２４のうちの他方に対して低い周波数で往復運動する。典型的には、摩擦溶接において使用される低い周波数は、約１００〜約３００、より典型的には約１５０〜約４００、さらにより典型的には約１８０〜２２０ヘルツである。加えて、力の提供は、さらに、第１及び第２のビード２０，２４を超音波溶接するものと定義されてよく、これにより、第１又は第２のボディ部分１２，１４のうちの一方は、第１及び第２のビード２０，２４のうちの他方に対して高い周波数で往復運動することが認められるべきである。超音波溶接において使用される高い周波数は、約１５０００〜約７２０００、より典型的には約１５０００〜約６００００、さらにより典型的には約１５０００〜４００００ヘルツである。

第１及び第２のビード２０，２４の加熱により、図４に示したように、第１又は第２のビード２０，２４のいずれかは第１及び第２のビード２０，２４のうちの他方へ食い込む。言い換えれば、第１及び第２のビード２０，２４の熱可塑性材料が熱可塑性材料の融解温度に近づくと、第１又は第２のビード２０，２４の一方が他方に食い込む。第１及び第２のビード２０，２４を一緒に保持する圧力は、第１又は第２のビード２０，２４を第１及び第２のビード２０，２４のうちの他方に食い込ませることを助けるために、力を加えるステップの間、存在してもよいことが認められるべきである。第１及び第２のビード２０，２４の加熱は、バリ３０の発生をも生ずる。したがって、物品１０は、バリ３０の広がりを閉じ込めるための一対のバリダム３２を有してもよい。バリダム３２は、第１及び第２のボディ部分１２，１４のうちの少なくとも一方に結合されている。典型的には、バリダム３２は、第２の溶接ビード２４を有する第２のボディ部分１４に結合されている。概して、バリダム３２は、第１及び第２のビード２０，２４から間隔を置かれており、第１及び第２のビード２０，２４に対して平行である。バリダム３２は、摩擦溶接接合部１８内にバリ３０を収集し、これにより、バリ３０が物品１０内でルーズになることを防止する。

方法において、第１及び第２のビード２０，２４を融合させて、物品の第１のボディ部分１２及び第２のボディ部分１４を結合するために、力が除去される。概して、力が除去されると、摩擦によって発生された熱は急速に放散し、第１及び第２のビード２０，２４の熱可塑性材料は、第１及び第２のビード２０，２４の標準温度に達したときに融合する。

典型的には、第２のビード２４を第１のビード２０に食い込ませるために第１のボディ部分１２に力が加えられる。このような実施の形態において、第１のボディ部分１２から力が除去された後に、第２のビード２４は少なくとも部分的に第１のビード２０内に配置されている。典型的には、第２のビード２４は、約０．２５〜２．２０ｍｍ、より典型的には約１．００〜約２．００ｍｍ、さらにより典型的には約１．５０〜約１．８０ｍｍの距離Ｄ１だけ第１のビード２０に食い込む。しかしながら、第２のビード２４は、第２のビード２４が第１のビード２０によって完全に包囲されるように第１のビード２０に食い込んでもよいことが認められるべきである。加えて、第１のボディ部分１２の代わりに第２のボディ部分１４に力が加えられるならば、第１のビード２０が、上述の第２のビード２４と同様の形式で第２のビード２４に食い込むことが認められるべきである。

第２のビード２４は、内側ステム３４と、内側ステム３４から間隔を置かれた外側ステム３６とを有し、これらのステムの間にキャビティ３８を形成している。内側ステム３４は、物品１０の内部により近く、外側ステム３６は、物品１０の内部からより遠いことが認められるべきである。内側及び外側のステム３４，３６は、キャビティ３８を形成するように互いから間隔を置かれることができるので、発生するバリ３０をキャビティ３８に捕捉することができる。バリ３０を捕捉することは、バリ３０が物品１０に進入することを防止する。美観の観点からもバリを捕捉することが望ましく、このことは、物品１０がエアインテークマニホルドである場合に主要な適用要求でもある。内側及び外側のステム３４，３６の間のキャビティ３８は、典型的には約１．５０〜約７．００、より典型的には約３．００〜約６．００、さらにより典型的には約４．００〜約５．００ｍｍの幅を有する。

概して、第１のビード２０の厚さＴ１は、物品１０の第１の接合面１６Ａと、第１のビード２０の接触面２８との間で均一である。加えて、第１のビード２０の厚さは、第１の接合面１６Ａの厚さＴ２よりも小さい。典型的には、第１のビード２０の厚さＴ１は、約３．００〜約８．００、より典型的には約４．００〜約７．００、さらにより典型的には約６．００〜約７．００ｍｍである。典型的には、第２のビード２４の厚さＴ３は、約１．５０〜約７．００、より典型的には約３．００〜約６．００、最も典型的には約４．００〜約５．００ｍｍである。第２のビード２４の厚さＴ３は、内側ステム３４の厚さＴ４と、キャビティ３８の幅Ｗと、外側ステム３６の厚さＴ５とによって規定される。これにより、第２のビード２４の内側ステム３４の厚さＴ４は、典型的には約２．５０〜約３．５、より典型的には約２．００〜約３．００、さらにより典型的には約２．４０〜約２．６０ｍｍである。キャビティの幅は、典型的には約１．５０〜約７．００、より典型的には約３．００〜約６．００、さらにより典型的には約４．００〜約５．００ｍｍである。第２のビード２４の外側ステム３６の厚さＴ５は、典型的には約１．１０〜約２．５０、より典型的には約０．９０〜約１．２０ｍｍである。

概して、物品１０は、第１及び第２のボディ部分１２，１４によって形成された内部チャンバ３８を有する。摩擦溶接接合部１８は、内部チャンバ３８の周囲に配置されている。物品１０の通常使用中、チャンバは圧力上昇を生じることがある。例えば、物品１０がエアインテークマニホルドである場合には、エアインテークマニホルド内の圧力が上昇する。圧力上昇により、モーメント力が摩擦溶接接合部１８に作用する。モーメント力は、摩擦溶接接合部１８に作用する曲げ荷重、引張荷重、及び圧縮荷重の組合せを生じる。これにより、摩擦溶接接合部１８は、破損することなく、曲げ荷重、引張荷重及び圧縮荷重により摩擦溶接接合部１８に加えられる応力に耐えることができなければならない。

第１のビード２０の中心線２２は、第２のビード２４の中心線２６からずれている。概して、第１及び第２のビード２０，２４の中心線２２，２６は、第１及び第２のボディ部分１２，１４に作用する応力の結果として摩擦溶接接合部１８に作用する応力を減じるためにずらされている。第１及び第２のボディ部分１２，１４に作用する応力の一例は、内部チャンバ３８内の上昇した圧力である。摩擦溶接接合部１８の強度は高められるとともに、摩擦溶接接合部１８に伝達される応力が減じられる。したがって、物品１０は、ずらされていない別の溶接接合部と比較して、摩擦溶接接合部１８が破損することなく、より大きな圧力を受けることができる。典型的には、第１のビード２４の中心線２６は、第１のビード２０の中心線２２から約０．２０〜約０．８０、より典型的には約０．２０〜約０．７０、さらにより典型的には約０．２０〜約０．５０ｍｍの距離Ｄ２だけずらされている。

第２のビード２４を内側ステム３４及び外側ステム３６に分割することと、内側及び外側のステム３４，３６の中心線２２，２６をずらすこととの組合せは、モーメント力の結果として摩擦溶接接合部１８に作用する曲げ、引張り及び圧縮荷重から生じる応力を減じると考えられる。より具体的には、第１及び第２のビード２０，２４の中心線２２，２６をずらし、第２のビード２４を分割することは、内側ステム３４における引張荷重と、外側ステム３６における圧縮荷重とから生じる応力を制限する。内側ステム３４における引張荷重と、外側ステム３６における圧縮荷重とから生じる応力を制限することにより、第２のビード２４の厚さを第１のビード２０の厚さよりも小さくすることができる。第２のビード２４の厚さを減じることは、第２のビード２４の接触面２８の断面積をも減じ、これにより、摩擦溶接の方法の間に生ぜしめられるバリ３０をより少なくする。なぜならば、第１及び第２のビード２０，２４の接触面２８の間の相互作用がより少なくなるからである。

１つの実施の形態では、第１のビード２０の厚さＴ１は、約６ｍｍであり、第２のビード２４の厚さＴ３は、約４．６ｍｍである。このような実施の形態では、内側ステム３４の厚さＴ４は、約２．５ｍｍであり、外側ステム３６の厚さＴ５は、約１．１ｍｍであり、キャビティ３８の幅Ｗは、約１．０ｍｍである。加えて、このような実施の形態では、第２のビード２４の中心線２２は、第１のビード２０の中心線２２から約０．２ｍｍの距離Ｄ１だけずらされている。

上記説明は、物品１０の第１及び第２のボディ部分１２，１４を結合することに関して説明されているが、摩擦溶接接合部１８を、複数の物品１０を含むあらゆる熱可塑性ボディを結合するために使用することができることが認められるべきである。第２のビード２４が内側及び外側のステム３４，３６に分割されるものとして説明されているが、第１のビード２０が内側及び外側のステム３６に分割されてもよいことが認められるべきである。加えて、第１及び第２のビード２０，２４の両方が内側及び外側のビードに分割されてもよいことも認められるべきである。

複数の試験物品４０が製造される。試験物品４０の一例が図５に示されている。試験物品４０は、接合部４２によって接合された第１及び第２のボディ部分１２，１４を有する。試験物品４０は２つのグループに分類されている。より具体的には、試験物品４０は、グループＡの試験物品と、グループＢの試験物品とに分割されている。グループＡの試験物品は、上述のように摩擦溶接接合部１８を有し、図６に示されている。グループＢの試験物品は、図７に示された択一的な溶接接合部を有する。

グループＡの試験物品は、６．０ｍｍの厚さを有する第１のビード２０と、４．６ｍｍの厚さを有する第２のビード２４とを備える。第２のビード２４は、２．５ｍｍの厚さを有する内側ステム３４と、１．１ｍｍの厚さを有する外側ステム３６と、１．０ｍｍの幅を有するキャビティ３８とに分割されている。これにより、第２のビード２４は、４．６ｍｍの合計厚さを有する。加えて、第１及び第２のビード２０，２４の中心線２２，２６は、互いから０．２ｍｍだけずらされている。寸法を有するグループＡの試験物品の摩擦溶接接合部１８を示す断面が、図６に示されている。

グループＢの試験物品は、６．０ｍｍの厚さを有する上側ビード４４と、４．０ｍｍの厚さを有する下側ビード４６とを備える択一的な溶接接合部を有する。グループＢの試験物品の上側及び下側のビード４４，４６は、共通の中心線４８を有する。グループＢの試験物品の択一的な溶接接合部を示す断面が、図７に示されている。

グループＡの試験物品４０の第２のビード２４の接触面の断面積が、グループＢの試験物品の下側ビード４６の接触面の断面積よりも小さいことに注意することが重要である。より具体的には、グループＡの試験物品の第２のビード２４は、４．６ｍｍの合計厚さを有し、この合計厚さのうちの１．０ｍｍをキャビティ３８が占めている。したがって、グループＡの試験物品４０の第２のビード２４の接触面の断面積は、３．６ｍｍの合計の厚さを有する内側及び外側のステム３４，３６によってのみ規定されている。グループＢの試験物品の下側ビード４６の接触面の断面積は、４．０ｍｍである下側ビード４６の全厚さによって規定されている。

接触面のより大きな断面積を有するグループＢの試験物品の択一的な溶接接合部は、グループＡの試験物品の摩擦溶接接合部１８よりも強いことが予測される。しかしながら、以下の表１に示すように、予測に反して、グループＡの試験物品の摩擦溶接接合部１８は、グループＢの試験物品の択一的な溶接接合部よりも強い。

グループＡの試験物品の場合には摩擦溶接接合部１８が、グループＢの試験物品の場合には択一的な溶接接合部が破損するときの圧力を決定するために、グループＡ及びグループＢの試験物品に対して第１の圧力破壊試験が行われる。第１の圧力破損試験の一部として、第１及び第２のボディ部分１２，１４が上述の方法を用いて結合され、グループＡ及びグループＢの試験物品を形成する。グループＡの試験物品の場合には第２のビード２４が第１のビード２０に、又はグループＢの試験物品の場合には下側ビード４６が上側ビード４４に約１．５ｍｍだけ食い込むまで、グループＡ及びグループＢの試験物品に力が加えられる。力が除去され、第１及び第２のボディ部分１２，１４は融合させられる。第１及び第２のボディ部分１２，１４の結合中に加えられる締付け圧力が変化させられ、様々な締付け圧力の下で形成されるグループＡ及びグループＢの試験物品を製造する。第１及び第２のボディ部分１２，１４が結合されると、摩擦溶接接合部１８又は択一的な溶接接合部が破壊するまで内部チャンバ３８に空気が噴射される。その結果は以下の表１に示されている。

表１に示したように、摩擦溶接接合部１８を有するグループＡの試験物品は、破損の前に内部チャンバ内のより高い圧力に耐えることができる。より具体的には、試験された４つの締付け圧力の間で、グループＡの試験物品の摩擦溶接接合部１８は、グループＢの試験物品の択一的な溶接接合部と比較して、平均１２％高い圧力に耐えることができた。上述のように、これは予測されていなかった。なぜならば、グループＢの試験物品は、グループＡの試験物品の接触面の断面積に対して、接触面のより大きな断面積を有していたからである。グループＡの試験物品がより高い圧力に耐えることができるのは、第２のビード２４を分割し、第１及び第２のビード２０，２４の中心線をずらすことによって、内側ステム３４及び外側ステム３６に作用する応力を制限した結果であると考えられる。

第１の圧力破壊試験が完了すると、グループＡ及びグループＢの両方の試験物品のボディ部分１２，１４は、融着加工中に適切に位置合わせさせられていなかったことが観察された。第１のビード２０及び第２のビード２４の中心線をずらすことが、より強い接合を提供すると考えられるので、グループＡ及びグループＢの両方のボディ部分１２，１４が適切に位置合わせさせられることを保証するように注意が払われなければならない。これにより、グループＡ及びグループＢの試験物品の第２のセットが、ボディ１２，１４が適切に位置合わせされた状態で製造された。上述の手順に続いて、グループＡ及びグループＢの試験物品の第２のセットに対して、第２の圧力破壊試験が行われる。その結果は以下の表２に示されている。

表２に示したように、グループＡ及びグループＢのボディ部分１２，１４を適切に位置合わせさせることは、グループＡの試験物品の摩擦溶接接合部１８と、グループＢの試験物品の択一的な溶接接合部との強度を高めた。しかしながら、グループＢの試験物品と比較した、グループＡの試験物品の百分率の改善は、より大きくなった。より具体的には、試験された４つの締付け圧力の間で、グループＡの試験物品の摩擦溶接接合部１８は、グループＢの試験物品の択一的な溶接接合部と比較して、平均２７％高い圧力に耐えることができた。

典型的な実施の形態を参照して発明を説明したが、発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が加えられてよく、前記実施の形態の要素の代わりに均等物が代用されてよいことが理解されるであろう。加えて、発明の基本的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を発明の開示に適応させるために、多くの変更がなされてよい。従って、本発明を実施するために考えられた最良の形態として開示された特定の実施の形態に発明は限定されないが、発明は、添付の請求広範囲に該当する全ての実施の形態を含むことが意図されている。

Claims

熱可塑性材料から成る物品であって、該物品は、
第１の接合面を有する第１のボディ部分と、
該第１のボディ部分と結合するための第２のボディ部分であって、該第２のボディ部分は、前記第１の接合面に対して平行な第２の接合面を有する、第２のボディ部分と、
前記第１の接合面と前記第２の接合面との間に配置された摩擦溶接接合部と、を備え、
該摩擦溶接接合部は、
前記第１の接合面に結合されかつ前記第１の接合面から中心線に沿って軸方向に延びた第１のビードと、
前記物品を形成するために前記第１のボディ部分及び前記第２のボディ部分を結合するために前記第１のビードと融合するための、前記第２の接合面に結合されかつ、前記第２の接合面から中心線に沿って軸方向に延びた第２のビードと、を有し、
該第２のビードは、内側ステムと、該内側ステムから間隔を置かれた外側ステムとを有し、前記内側ステムと前記外側ステムとの間に、前記第１のビード及び前記第２のビードの融合により生じる所定の量のバリを受容するためのキャビティを形成しており、
前記第１のボディ部分及び前記第２のボディ部分に作用する応力の結果として前記摩擦溶接接合部に作用する応力を減じるために、前記第１のビードの前記中心線は、前記第２のビードの前記中心線からずらされていることを特徴とする、熱可塑性材料から成る物品。
前記第１のビード及び前記第２のビードは、ナイロン６、ナイロン６／６、塩化ポリビニル、ポリブチレンテレフタレート、ポリアセタール及びそれらの組合せのグループから選択された材料から成る、請求項１記載の物品。
前記第１のビードは、約３．０〜約８．０ｍｍの、前記第１の接合面と前記第１のビードの接触面との間における均一な厚さを有する、請求項１又は２記載の物品。
前記第１のビードの前記均一な厚さは、前記第１の接合面の厚さよりも小さい、請求項３記載の物品。
前記第１のビードの前記均一な厚さは、約６ｍｍである、請求項３記載の物品。
前記第２のビードの前記内側ステムは、約２．５〜約３．５ｍｍの厚さを有する、請求項１から５までのいずれか１項記載の物品。
前記第２のビードの前記外側ステムは、約１．１０〜約２．５０ｍｍの厚さを有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の物品。
前記内側ステムと前記外側ステムとの間に形成された前記キャビティは、約１．５〜約７．０ｍｍの幅を有する、請求項１から７までのいずれか１項記載の物品。
前記第１のビード及び前記第２のビードのそれぞれは、約２．０〜約４．０ｍｍの高さを有する、請求項１から８までのいずれか１項記載の物品。
前記第２のビードの前記内側ステムは、約２．５ｍｍの厚さを有する、請求項１から９までのいずれか１項記載の物品。
前記第２のビードの前記外側ステムは、約１．１ｍｍの厚さを有する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の物品。
前記内側ステムと前記外側ステムとの間に形成された前記キャビティは、約１．０ｍｍの幅を有する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の物品。
前記第２のビードの前記中心線は、前記第１のビードの前記中心線から約０．２０〜約０．８０ｍｍの距離だけずらされている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の物品。
前記第２のビードの前記中心線は、前記第１のビードの前記中心線から約０．２０ｍｍの距離だけずらされている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の物品。
熱可塑性材料から成る物品の第１のボディ部分と第２のボディ部分とを結合するための摩擦溶接接合部であって、前記第１のボディ部分は、第１の接合面を有し、前記第２のボディ部分は、前記第１の接合面に対して平行な第２の接合面を有し、前記摩擦溶接接合部は、
前記第１の接合面から中心線に沿って軸方向に延びた第１のビードと、
前記物品の前記第１のボディ部分と前記第２のボディ部分とを結合するために、前記第１のビードと融合するための、前記第２の接合面から中心線に沿って軸方向に延びた第２のビードと、を備え、
該第２のビードは、内側ステムと、該内側ステムから間隔を置かれた外側ステムとを有し、前記第１のビードと前記第２のビードとの融合により生じる所定の量のバリを受容するために、前記内側ステムと前記外側ステムとの間にキャビティを形成しており、
前記第１のボディ部分及び前記第２のボディ部分に作用する応力の結果として前記摩擦溶接接合部に作用する応力を減じるために、前記第１のビードの前記中心線は、前記第２のビードの前記中心線からずらされていることを特徴とする、摩擦溶接接合部。
前記第１のビード及び前記第２のビードは、ナイロン６、ナイロン６／６、塩化ポリビニル、ポリブチレンテレフタレート、ポリアセタール及びそれらの組合せのグループから選択された材料から成る、請求項１５記載の摩擦溶接接合部。
前記第１のビードは、約３．０〜約８．０ｍｍの、前記第１の接合面と前記第１のビードの接触面との間における均一な厚さを有する、請求項１５又は１６記載の摩擦溶接接合部。
前記ビードの前記均一な厚さは、前記物品の前記第１のボディ部分の前記第１の接合面の厚さよりも小さい、請求項１７記載の摩擦溶接接合部。
前記第１のビードの前記均一な厚さは、約６ｍｍである、請求項１７記載の摩擦溶接接合部。
前記第２のビードの前記内側ステムは、約２．５〜約３．５ｍｍの厚さを有する、請求項１５から１９までのいずれか１項記載の摩擦溶接接合部。
前記第２のビードの前記外側ステムは、約１．１０〜約２．５０ｍｍの厚さを有する、請求項１５から２０までのいずれか１項記載の摩擦溶接接合部。
前記内側ステムと前記外側ステムとの間に形成された前記キャビティは、約１．５〜約７．０ｍｍの幅を有する、請求項１５から２１までのいずれか１項記載の摩擦溶接接合部。
前記第１のビード及び前記第２のビードのそれぞれは、約２．０〜約４．０ｍｍの高さを有する、請求項１５から２２までのいずれか１項記載の摩擦溶接接合部。
前記第２のビードの前記内側ステムは、約２．５ｍｍの厚さを有する、請求項１５から２３までのいずれか１項記載の摩擦溶接接合部。
前記第２のビードの前記外側ステムは、約１．１ｍｍの厚さを有する、請求項１５から２４までのいずれか１項記載の摩擦溶接接合部。
前記内側ステムと前記外側ステムとの間に形成された前記キャビティは、約１．０ｍｍの幅を有する、請求項１５から２５までのいずれか１項記載の摩擦溶接接合部。
前記第２のビードの前記中心線は、前記第１のビードの前記中心線から約０．２０〜約０．８０ｍｍの距離だけずらされている、請求項１５から２６までのいずれか１項記載の摩擦溶接接合部。
前記第２のビードの前記中心線は、前記第１のビードの前記中心線から約０．２０ｍｍの距離だけずらされている、請求項１５から２７までのいずれか１項記載の摩擦溶接接合部。
摩擦溶接接合部を用いて、熱可塑性材料から成る物品の第１のボディ部分と第２のボディ部分とを結合する方法であって、前記第１のボディ部分は、第１の接合面を有し、前記第２のボディ部分は、前記第１の接合面に対して平行な第２の接合面を有し、前記方法は、
前記第１の接合面から中心線に沿って軸方向に延びた第１のビードを提供するステップと、
前記第２の接合面から中心線に沿って軸方向に延びた第２のビードを提供するステップと、
前記第２のビードの中心線が前記第１のビードの中心線からずらされた状態で前記第１のビードと前記第２のビードとを互いに接触するように配置するステップと、
前記第１のビードと前記第２のビードとの間に摩擦を発生させ、前記第１のビード及び前記第２のビードのうちの少なくとも一方を、前記第１のビード及び前記第２のビードのうちの他方に食い込ませるために、前記第１のボディ部分及び前記第２のボディ部分のうちの少なくとも一方に力を加えるステップと、
前記力を除去するステップと、を含み、これにより、前記第１のビードと前記第２のビードとが融合し、前記物品の前記第１のボディ部分と前記第２のボディ部分とを結合させることを特徴とする、熱可塑性材料から成る物品の第１のボディ部分と第２のボディ部分とを結合する方法。
前記第１のボディ部分又は前記第２のボディ部分のいずれかに力を加えるステップは、さらに、前記第１のビード又は前記第２のビードのうちの一方が、前記第１のビード及び前記第２のビードのうちの他方に対して、約１００〜約３００ヘルツの周波数で往復運動するように、前記第１のビード及び前記第２のビードを摩擦溶接することとして定義される、請求項２９記載の方法。
前記第１のボディ部分又は前記第２のボディ部分のいずれかに力を加えるステップは、さらに、前記第１のビード又は前記第２のビードのうちの一方が、前記第１のビード及び前記第２のビードのうちの他方に対して、約１５０００〜約７２０００ヘルツの周波数で往復運動するように、前記第１のビード及び前記第２のビードを超音波溶接することとして定義される、請求項２９記載の方法。
前記第１のビードと前記第２のビードとを一時的に一緒に保持するために、前記第１のボディ部分及び前記第２のボディ部分に圧力を加えるステップをさらに含む、請求項２９から３１までのいずれか１項記載の方法。
前記第１のビード及び前記第２のビードを互いに接触して配置するステップは、さらに、前記第１のボディ部分が前記第２のボディ部分に対して配置されるときに前記第１のビード及び前記第２のビードの中心線を約０．２０〜約０．８０ｍｍの距離だけずらすこととして定義される、請求項２９から３２までのいずれか１項記載の方法。
前記第１のビード及び前記第２のビードは、ナイロン６、ナイロン６／６、塩化ポリビニル、ポリブチレンテレフタレート、ポリアセタール及びそれらの組合せのグループから選択された材料から成り、前記第１のボディ部分又は前記第２のボディ部分のいずれかに力を加えるステップは、さらに、前記第１のボディ部分及び前記第２のボディ部分のうちの一方を、前記第１のボディ部分及び前記第２のボディ部分のうちの他方に対して振動させ、前記第２のビードを前記第１のビードに食い込ませることとして定義される、請求項２９から３３までのいずれか１項記載の方法。