JP4409953B2 - 溶接材料及びキャリヤを用いない方法 - Google Patents

Description

本発明は一般的には溶接に関し、本発明の実施の形態は管状部材の溶接に関する。

溶接動作は、自動車組立ライン上での自動車構築のような、多くの産業応用に使用されている。ある溶接された接続を形成させるためには、継ぎ目が形成される箇所の溶接可能部材の表面間に所望量の溶接材料を配置して加熱しなければならない。溶接可能部材の形状が管状である場合は、被溶接表面に直接アクセスすることが困難になるので、この型の継ぎ目を形成することは困難である。

特に自動車産業のような産業においては、管状ハイドロフォーミング技術が益々使用されてきている。ハイドロフォーミング技術は自動車のフレーム構造にとって多くの利点を提供するが、管状成分を溶接するための一般的な溶接方法の使用が困難であり、時間及びコストの効率低下をもたらす。

本発明の目的は、管状部材を溶接する方法を提供することである。本方法は、各々がそれぞれの外面を有する第１及び第２の管状部材を準備するステップと、それぞれが前記第１及び第２の管状部材と溶接を形成する関係に結合可能な導電性金属溶接材料で構成されている少なくとも１つの溶接材料部材を準備するステップと、前記少なくとも１つの各溶接材料部材が前記第２の管状部材と接触する前に前記第１の管状部材上の所定位置に留まるように、前記少なくとも１つの各溶接材料部材を前記第１の管状部材上に確保するステップと、前記少なくとも１つの溶接材料部材が前記第１及び第２の管状部材のそれぞれの外面の間に電流を伝達する関係に配置されるように前記第２の管状部材を前記第１の管状部材に接して位置決めするステップと、前記第１及び第２の管状部材を横切るように電流を印加し、前記印加された電流が前記第１及び第２の管状部材のそれぞれの外面を通って流れて前記第１管状部材と前記第２の管状部材との間に配置されている前記少なくとも１つの各溶接材料部材が前記第１及び第２の管状部材のそれぞれの外面を互いに溶接するステップとを含む。

本発明の別の目的は、管状部材を溶接する方法を提供することである。本方法は、各々がそれぞれの外面を有する第１及び第２の管状部材を準備するステップと、それぞれが前記第１及び第２の管状部材と溶接を形成する関係に結合可能な導電性金属溶接材料で構成されている複数の溶接材料部材を準備するステップと、前記複数の各溶接材料部材が前記第２の管状部材と接触する前に前記第１の管状部材上の所定位置に留まるように、前記複数の各溶接材料部材を前記第１の管状部材上に溶接するステップと、前記複数の溶接材料部材が前記第１及び第２の管状部材のそれぞれの外面の間に電流を伝達する関係に配置されるように前記第２の管状部材を前記第１の管状部材に接して位置決めするステップと、前記第１及び第２の管状部材を横切るように電流を印加し、前記印加された電流が前記第１及び第２の管状部材のそれぞれの外面を通って流れて前記第１管状部材と前記第２の管状部材との間に配置されている前記複数の各溶接材料部材が前記第１及び第２の管状部材のそれぞれの外面を互いに溶接するステップとを含む。

本発明の他の目的、特色、及び長所は、以下の添付図面に基づく本発明の種々の実施の形態の詳細な説明から明白になるであろう。

図１には、溶接材料部材１４及び溶接可能部材１８が示されている。更に、突起（プロジェクション）溶接デバイス３００も図示されている。以下に説明するように、複数の溶接材料部材１４を、溶接可能部材１８の外面２０に結合することができる。この結合箇所は、溶接プロセスによって溶接継ぎ目が形成される箇所である。また図３に示すように、別の溶接可能部材２２を、溶接材料部材１４及び溶接可能部材１８に接触させ且つそれらの上に位置するように位置決めし、溶接材料部材１４が溶接可能部材１８の表面と溶接可能部材２２の表面との間に配置されるようにすることができる。図５に示すように、溶接プロセスの後に、溶接可能部材１８及び２２は、溶接材料部材１４の使用によって両部材１８及び２２の継ぎ目において結合される。

各溶接材料部材１４は、十分な電流を印加することによって加熱された時に溶融できる導電性金属溶接材料で構成される。また各溶接材料部材１４は、第１及び第２の溶接可能部材１８及び２２を結合させる位置において、第１の溶接可能部材１８の外面部分２０と、第２の溶接可能部材２２の外面部分２４との間に電流を導く関係に位置決めされるようになっている。溶接される継ぎ目は、結合される前記外面２０、２４間に金属溶接材料で作られた少なくとも１つの溶接材料部材１４（各溶接可能部材１８、２２を作るために使用されている金属材料とは異なる）を位置決めすることによって形成される。

各溶接材料部材１４のサイズ及び形状は、溶接可能部材１８及び２２に使用されている材料、溶接材料部材１４に使用されている材料、及び２つの溶接可能部材間の結合領域のサイズ及び形状（即ち、２つの溶接可能部材１８及び２２が重なり合う表面領域のサイズ及び形状）を含む多くの要因に依存して選択される。もし溶接材料部材１４を溶接によって溶接可能部材１８に取り付けるのであれば、溶接材料部材１４の特性は、溶接可能部材１８に取り付けるための突起溶接デバイス３０１の能力及び限界に部分的に依存し得る。溶接材料部材１４の幾つかの特性も、最終的に溶接可能部材１８及び２２を溶接する溶接デバイス２８に依存し得る。各溶接材料部材１４は円形であるように図示されているが、如何なる適切な、所望の形状を有することも可能である。

上述したように、単一の溶接材料部材１４を溶接可能部材１８上に準備することを企図している。例えば、部材１８上に１つの溶接材料部材１４だけが取り付けられているように、ある範囲内で幅広の、薄い形状（例えば、大きいＸ字形）の溶接材料部材１４を企図している。好ましくは、図２に示すように、それぞれが小さく薄いディスクの形状の複数の溶接材料部材１４を部材１８上に取り付ける。これらのような薄く小さいディスク形状にすることによって溶接可能部材１８と２２の間を流れる電流の領域を容易に離散させ、局所化することが可能になり、それにより部材１４の溶融を促進することができる。

溶接材料部材１４のための好ましい溶接材料は、溶接可能部材１８、２２が炭素鋼のようなより柔らかい鋼である場合（それが好ましい）には、例えばステンレス鋼である。しかしながら、広範囲の金属溶接材料を使用して溶接材料部材１４を構成し、この部材１４を使用して例えばアルミニウムのような他の材料で構成された溶接可能部材１８と２２の間に溶接された継ぎ目を形成することを企図している。

各溶接材料部材１４を構成している溶接材料は、より抵抗性であり（即ち、電流の流れに対してより大きい抵抗を有している）、また各溶接可能部材１８、２２を構成するために使用されている金属材料よりも低い融点を有しているべきである。

後に結合させる（即ち、互いに溶接する）表面２０と２４の間に位置決めするために、少なくとも１つの、そして好ましくは複数の溶接材料部材１４を溶接可能部材１８に結合する。好ましくは、これらの溶接材料部材１４は、継ぎ目の強度を最大にし、継ぎ目の形成を最適化するように位置決めする。図１−３に示すように、図示実施の形態においては各溶接材料部材１４は小直径のディスク形状部材であるが、広範な形状及びサイズの溶接材料部材１４をも企図していることを理解されたい。

溶接材料部材１４を溶接可能な支持部材１８上の所定位置に取り付けて、第２の溶接可能部材２２が溶接可能部材１８の上に、そして溶接材料部材１４の上面の上に位置決めされるまで各溶接材料部材１４が溶接可能部材上の定位置に留まるようにする。溶接材料部材１４のこの取り付けは、接着剤、機械的ファスナ、または溶接のような適切な取り付け方法によって遂行することができる。図示実施の形態においては、溶接部材１４の取り付けは、液体トランジェント溶接のような溶接によって、及び溶接デバイス３０１を使用することによって達成される。図１に示すように、図示プロセスは被溶接表面２０に個々に取り付けられている複数の各溶接材料部材１４に対して、溶接材料部材溶接組立体３００（抵抗溶接デバイス３０１、溶接部材フィーダ３１２、加力機構３１４、及びロボットアーム３１６を含む）によって遂行される。溶接組立体３００は、エムハルト・ファスニング・テクノロジーズ社製のウォーレンスタッド溶接システム（SKK 140またはSKK 210シリーズ）のようなスタッド溶接デバイスに類似するものであることができる。このデバイスは、TMPシリーズ溶接機コントローラ、36000シリーズスタッドフィーダ、及び溶接ヘッドまたは溶接ガンを含んでいる。溶接組立体３００は、エムハルト・ファスニング・テクノロジーズ社製のブラケット及びクリップ溶接用のWELDFASTシステムに類似するものであることもできる。

図１に示す抵抗溶接プロセスは、自動的に、または手動で遂行できるものとしている。自動的に遂行する場合には、当分野においては公知のようにコントローラ３１０が溶接組立体３００及び溶接デバイス３０１を制御する。

図１に概示するように、抵抗溶接デバイス３０１は、その一端に溶接部材支持構造３０２を含む。溶接部材支持構造３０２はコレットまたはチャックの形状であることが多く、これはスタッド溶接について当分野においては公知の技法と類似技法で溶接材料部材１４の周縁を受入れてつかむことができる。溶接部材支持構造３０２は、各溶接材料部材１４の周縁を比較的しっかりとつかみ、また溶接可能部材１８に対して運動可能であって溶接材料部材１４を被溶接表面２０と接触させるように構成され、配列されている。各溶接部材１４は、スタッド溶接デバイスにおける個々のスタッドのフィーダと類似技法で大量の溶接材料部材１４を保持し、単一のナゲットまたは単一の溶接材料部材１４を支持構造３０２へ送給することができるナゲットフィーダ３１２によって支持構造３０２上に位置決めされる。適切な加力機構３１４は、溶接中に溶接可能部材１８に対して運動し、溶接材料部材１４に十分な力を加えることができる。

自動化プロセスの場合には、突起溶接デバイス３０１をロボットアーム３１６、または他の自動化運動システムに取り付けることができ、また手動プロセスの場合には、突起溶接デバイス３０１は手持ちデバイスであることができる。

何れの場合も、図１に示すように、突起溶接デバイス３０１は所望位置に近接する位置へ運ばれ、溶接材料部材１４を被溶接表面２０上に配置する。溶接デバイス３０１はその支持具３０２内の溶接材料部材１４と共に、被溶接表面２０に向かって運動する。溶接材料部材１４が被溶接表面２０と実質的に接触する時点に、突起溶接デバイス３０１（より特定的には、溶接部材支持構造３０２）と溶接可能部材１８との間に溶接材料部材１４を横切るように電流を印加する。電流は抵抗が最大の点において、即ち、図１に示す被溶接表面２０と溶接材料部材１４との間の交叉部分において、溶接材料部材１４を溶接可能部材１８に結合（液体トランジェント溶接によって）させる。諸ステップを示すために、図１の右側には表面２０に溶接済みの溶接材料部材１４を、中央には表面２０と支持構造３０２との間に溶接中の溶接材料部材１４を、そして左側には例えばフィーダ３１２によって供給されて溶接される溶接材料部材１４を示してある。

溶接材料部材１４は、如何なる望ましい配列においても溶接可能部材１８に取り付けることができる。図２は、このような配列の１つを示している。勿論、十分に強い被溶接結合を形成するために十分な溶接可能材料が存在する（例えば、溶接材料部材１４が十分な数及びサイズである）限り、他の配列も可能である。

本発明の方法による継ぎ目を形成するために、溶接材料部材１４はハイドロフォーム加工された部材１８へ所望の配列で結合される。次いで、図３及び４に示すように、第２の溶接可能部材２２が溶接材料部材１４と接触し、且つそれらに重なる関係に配置されるので、溶接材料部材１４は溶接可能部材１８と２２の間に、且つそれらと導電的に接触する関係に位置するようになる。

溶接方法は、図１−５から理解できよう。図２は、管状部材の形状に図示されている第１の溶接可能部材１８の外面部分２０上に取り付けられている溶接材料部材１４を示している。図３は、第２の管状部材の形状の第２の溶接可能部材２２が、第１の溶接可能部材１８に重なる関係に配置され、両者の間に溶接材料部材１４が配置されている様を示している。溶接可能部材１８及び２２は、以下に説明する技法で溶接材料部材１４を使用して互いに溶接することができる２つの部材を一般的に表すことを意図している。部材１８及び２２はハイドロフォーム加工された管であることができるが、以下に説明する管状部材１８及び２２は如何なる適切な方法によって形成することもできる。更に、部材１８及び２２は、閉じた断面を有する管状であるように図示されているが、部材１８及び２２は開いた断面を有する管状構成、及び非管状構成を含む他の形状の構成であることができる。以下に説明するように、例示した部材１８及び２２は溶接プロセスを説明するために用いたものであり、図６に示すようなスペースフレームの一部を形成するために互いに結合される個々のハイドロフォーム加工された部材の部分である。図４に２８で概示してある変形抵抗溶接装置、または溶接デバイスが、溶接可能部材１８、２２と係合する。図５は、結合形成後の溶接可能部材１８及び２２を示している。

図４及び５に示す溶接方法は、抵抗溶接から派生した方法であり、トランジェント液相結合及び抵抗加熱を使用する。例えば２つの管状のハイドロフォーム加工された部材１８、２２を互いに結合するために、溶接材料部材１４及び突起溶接プロセスを使用することができる。溶接材料部材１４及び図示抵抗溶接方法は、１対の溶接可能部材１８、２２の個々の中空区分を、それぞれの溶接表面２０、２４に直接アクセスすることなく相接する関係に互いに溶接し、被溶接接続（即ち、継ぎ目）２００を形成する技法を提供する。

継ぎ目形成中、２つのハイドロフォーム加工された部材１８、２２にまたがって、及び溶接材料部材１４にまたがって電流及び軸方向の力（即ち、溶接可能部材１８、２２内の２つの外面２０、２４に直角の力）を印加するために、変形抵抗溶接ガン装置２８即ち溶接デバイス（即ち、変形スポット溶接ガン）を使用する。詳述すれば、装置２８は１対の導電部材４６、４８、または導電性の端（溶接を形成させるために電流源からの電流を供給する）を含み、これらは、結合される２つのハイドロフォーム加工された部材１８、２２の溶接接続または継ぎ目を形成させる領域内の外面５０、５２にあてがわれる。溶接ガン装置２８は、手動で、またはロボットによって制御することができる。部材１８及び２２を溶接するための適切な装置及び方法は、2001年１月５日付米国特許出願第09/754114号“ネスト可能な導電性端を有する溶接組立体”に開示されているので参照されたい。

導電性部材即ち導電性端４６、４８は、結合される表面２０、２４を通して、及び溶接材料部材１４を通して電流を流す電極である。溶接材料は、ハイドロフォーム加工された部材１８、２２を構成するために使用されているベースの接続する金属材料より抵抗が大きく、且つ融点が低い。相接する部材１４、１８、２２の材料特性が結合し、ハイドロフォーム加工された部材１８、２２の中空区分材料が溶解する前に、溶接材料部材１４を選択的に加熱して局部的に溶融させる。この溶接プロセス中に、溶接材料部材１４は液化する。

溶接材料部材１４を液化させるのに必要なエネルギは、印加される電流によって生成される。溶接材料部材１４が優先的に加熱されて溶接材料部材１４の溶融がもたらされ、次いで相接する溶接可能部材１８、２２の金属材料が局部的に溶融する。導電性部材または導電性端４６、４８によって加えられる軸方向圧力の下に、溶接材料部材１４の溶融した材料はハイドロフォーム加工された部材１８、２２のベースの金属材料と結合する。上述した溶融が発生した後に、表面２０、２４を通って流れる電流をスイッチオフする。好ましくは、所定の時間の後に軸方向の力も除去する。

得られた溶接済みの継ぎ目を図５に示す。図５に示すように、溶接材料部材１４の数、サイズ、及び構成に依存して、溶接可能部材１８と２２との間に極めて薄いギャップ２０２が残されることも、またはギャップが存在せずに溶接可能部材１８と２２との間の接続２００が連続的な、均一な接続になることもあり得る。金属部材１４、１８、２２の金属材料の結合を、図５に断面図で示してある。溶接された継ぎ目をより明瞭に示すために、また溶接が形成されたこれらの領域内の金属材料の混合を示すために、溶接された領域を拡大し、誇張して図示してあることを理解されたい。

好ましくは、第１の溶接可能部材２２及び第２の溶接可能部材１８を通して溶接材料部材１４を横切るように電流を印加し、溶接材料部材１４を溶融させた後に、溶接材料部材に接する領域内の第１の溶接可能部材２２及び第２の溶接可能部材１８の部分を溶融させる。好ましくは、外面２０、２４を互いに他方に向かって運動させるように力を加える。

好ましくは各外面２０、２４は平面であるが、継ぎ目形成に適合する如何なる形態であっても差し支えない。例えば、表面は相補的な凸／凹形態等を有することができる。

図６に示すように、自動車のスペースフレーム６０の構築に使用される個々の部材１８と２２との間に継ぎ目を形成するために、本発明の溶接材料部材１４及び突起溶接プロセスを使用することを企図している。スペースフレーム６０の継ぎ目を形成するために、溶接材料部材１４をある部材に結合する突起溶接プロセスの使用方法の例を以下に説明する。図６を参照して、スポーツ用多目的車（ＳＵＶ）のためのスペースフレームの例を説明する。本溶接材料組立体と共に、及びこれらの組立体を使用する方法と共に使用するのに特に適するスペースフレーム継ぎ目の他の例が、米国特許第6,092,865号“ハイドロフォーム加工されたスペースフレーム及びその製造方法”に開示されているので参照されたい。

図６は、自動車のスペースフレーム６０の斜視図である。スペースフレーム６０は、１対の縦方向に延び且つ横方向に離間しているサイドレール構造６２、１対のハイドロフォーム加工された上側縦部材６４、６６、１対のハイドロフォーム加工されたＵ字形クロス部材６８、７０、及び後部リング組立体７２を含む。好ましくは、サイドレール構造６２は、１対のハイドロフォーム加工された部材７８、８０を鏡像構造に構成する。番号８２で概示する複数の横方向に延びるクロス構造がサイドレール構造６２間に接続され、また１対の横方向に延びる上側クロス部材８４が１対の上側縦部材６４、６６の間に接続されている。

各ハイドロフォーム加工された上側縦部材６４、６６は、ピラー形成部分８６及び縦方向に延びる部分８８を含む。各上側縦部材６４、６６は関連サイドレール構造６２に接続され、そこから上方へ延びてスペースフレーム６０のＡピラーを形成している。各ハイドロフォーム加工されたクロス部材６８、７０はそれぞれ、クロス部分９０、９２、関連クロス部分の両端の接合点９８、１００から延びる１対の脚部分９４、９６を含む。クロス部材の各脚部分はそれぞれのサイドレール構造６２に接続され、そこから上方へ延びて中間ピラー（即ち、Ｂピラー及びＣピラー）を形成している。各上側縦部材６４、６６の縦方向に延びる部分８８は、関連クロス部材６８、７０の接合点９８、１００に接続され、それぞれ継ぎ目１０２、１０４を形成している。

溶接材料部材及び突起溶接プロセスの使用は、管状にハイドロフォーム加工された溶接可能部材の溶接に特に有利であるが、これらは、ハイドロフォーム加工されていないにも拘わらず溶接表面へのアクセスが禁じられるような他の溶接可能部材の溶接に応用することができる。

更に、上述した装置及び方法によれば、溶接可能部材１８に取り付ける前の溶接材料部材１４を所定の形態に保持するための裏当てを何等使用することなく、溶接材料部材１４を取り付けることができる。このように、何等の裏当てシートをも用いずに溶接材料部材１４を取り付けるので、裏当てシートの節約を達成することができる。部材１８と２２が結合されて、スペースフレーム６０内に図５に示すような単一の継ぎ目１０４を形成しているが、部材１８と２２を結合する方法及び装置は、図６に示すようにスペースフレーム６０の多くの継ぎ目の何れかのために使用できることを理解すべきである。

以上の説明から本発明の目的が完全に理解されたであろう。説明した特定の実施の形態は、本発明の構造及び機能原理を説明するためだけのものであり、本発明を限定する意図はない。反対に、本発明は、特許請求の範囲に記載の思想及び範囲内の全ての変更、代替、及び置換をも包含することを意図するものである。

本発明の実施の形態の原理による溶接デバイス及び方法の断面図である。 第１の溶接可能部材上に取り付けられた本発明の原理による溶接材料組立体を示す斜視図である。 図２と類似してはいるが、第１の溶接可能部材上に位置決めされた第２の溶接可能部材を示す斜視図である。 図３の４−４矢視断面図であって、継ぎ目が形成される前に溶接材料組立体が第１の溶接可能部材と第２の溶接可能部材との間に配置され、抵抗溶接装置が溶接可能部材と係合している様を示している。 図４と類似してはいるが、継ぎ目が形成された後の第１及び第２の溶接可能部材を示していることが異なる。 本発明の方法により形成された継ぎ目を含む自動車用スペースフレームの斜視図である。

Claims (7)

1. 管状部材を溶接する方法であって、
   各々がそれぞれの外面を有する第１及び第２の管状部材を準備するステップと、
   それぞれが前記第１及び第２の管状部材と溶接を形成する関係に結合可能な導電性金属溶接材料で構成されている複数の溶接材料部材を準備するステップと、
   前記複数の各溶接材料部材が前記第２の管状部材と接触する前に前記第１の管状部材上の所定位置に留まるように、前記複数の各溶接材料部材を前記第１の管状部材上に溶接するステップと、
   前記複数の溶接材料部材が前記第１及び第２の管状部材のそれぞれの外面の間に電流を伝達する関係に配置されるように、前記第２の管状部材を前記第１の管状部材に接して位置決めするステップと、
   前記第１及び第２の管状部材を横切るように電流を印加し、前記印加された電流が前記第１及び第２の管状部材のそれぞれの外面を通って流れて前記第１管状部材と前記第２の管状部材との間に配置されている前記複数の各溶接材料部材が前記第１及び第２の管状部材のそれぞれの外面を互いに溶接するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記第１及び第２の管状部材を準備するステップは、
   管状金属壁を有する管状金属ブランクを準備するステップと、
   前記管状金属ブランクを、ダイ組立体のダイ表面を有するダイキャビティ内に配置するステップと、
   前記ブランクの内部へ高圧流体を供給し、前記ブランクの金属壁を前記ダイキャビティの表面に順応するように外側へ膨張させるステップと、
   を含むプロセスによって前記第１及び第２の各管状部材をハイドロフォーム加工するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記複数の溶接材料部材を準備するステップは、複数の鋼溶接材料部材を準備するステップを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記複数の溶接材料部材を準備するステップは、複数のディスク形状溶接材料部材を準備するステップを含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の方法。
5. 前記複数の各溶接材料部材を溶接するステップは抵抗溶接デバイスによって達成され、前記抵抗溶接デバイスは、
   前記複数の溶接材料部材の１つを前記第１の管状部材上の所定位置に保持し、
   前記複数の溶接材料部材の１つ及び前記第１の管状部材を横切るように電流を印加して前記複数の溶接材料部材の１つの一部分を溶融させ、
   前記複数の溶接材料部材の１つを前記第１の管状部材の外面部分に溶接する、
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法。
6. 前記抵抗溶接デバイスは、コンピュータ制御デバイスの指令の下に、前記複数の溶接材料部材突起の確保を遂行することを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記電流は前記第１及び第２の管状部材を横切るように、及び前記複数の各溶接材料部材を横切るように印加されて前記複数の各溶接材料部材を溶融させ、また前記複数の各溶接材料部材に接する領域内の前記第１及び第２の管状部材のそれぞれの部分を溶融させ、
   前記溶融が発生するにつれて、前記第１及び第２の管状部材のそれぞれの第１及び第２の外面部分を互いに他方に向かって運動させるように力を加える、
   ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の方法。

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