JP5406453B2 - シートメタル要素とそれに挿入された回転体 - Google Patents

Description

本発明は、シートメタル要素とそこに挿入される回転体との摩擦溶接接続に関する。

このような摩擦溶接接続は、ベルリン技術社（Ｔｅｃｈｎｉｋ Ｂｅｒｌｉｎ）によって１９９１年に発行された、ノイマン ショーバー（Ｎｅｕｍａｎｎ Ｓｃｈｏｂｅｒ）による「金属の摩擦溶接（Ｒｅｉｂｓｃｈｗｅｉｓｓｅｎ ｖｏｎ Ｍｅｔａｌｌｅｎ）」という本の６７頁に提示される。これは、穿孔されたシートメタル要素と回転されるスタッドとの摩擦溶接接続に関し、そこではシートメタル要素の穴は円錐状または円筒状であり得、シートメタル要素の穴に突出するスタッドの端部も同様に円錐形状である。スタッドの関連する端部およびシートメタル要素の穴も両方とも円錐形の設計であり得、この２つの構成要素について円錐角が同一であり得る。このような設計の欠点として、シートメタル要素の厚さに対応する接合ゾーンが比較的小さいことが指摘される。

さらに、ＤＥ １９９ ２７ ３６９ Ａ１およびＵＳ−ＰＳ ４，８５０，７７２の両方において、平坦な穿孔されていないシートメタル要素とスタッドとの摩擦溶接接続が提示され、そこでは摩擦溶接接続はスタッドの端面を含み、この端面は、必要に応じてスタッドの直径よりも径方向に大きいことがあり得る。

その製造については、平坦な穿孔されていない構成要素を含む摩擦溶接接続は、スタッドの回転中に関連するスタッドで相当な圧力をシートメタル要素に加える必要があり、そのため、シートメタル要素が反ったり、そのために変形したりしないように、シートメタル要素からの対応した抵抗力を必要とする。この効果は、円錐形の端部を備えたスタッドと穿孔されたシートメタル要素との間の最初に言及された摩擦溶接接続においては減じられるが、特に薄いシートメタルの場合には、スタッドがシートメタル要素に適用されている間にスタッドに対して十分な抵抗を対抗することが困難となることに繋がり、薄いシートメタルはこの十分な抵抗を与えることができない。したがって、このような摩擦溶接接続の生成のためには、スタッドと反対側を向いた側からシートメタル要素を支持するための反支持体の使用が必要である。

本発明の目的は、前述された困難さにもかかわらず、シートメタル要素上の摩擦溶接接続の生成が有利に実現されるような有利な方法を可能にすることである。本発明の目的は、シートメタル要素が、突出する円形環状壁を圧力面として備え、その圧力面が反対圧力面を有する回転体によって係合されるよう適合され、少なくとも１つの圧力面が、回転体の挿入が環状壁に増加する圧力を加えるように円錐形状（konisch）であり、そこで回転体の回転の結果として回転体と環状壁との間に摩擦溶接接続が形成されることで達成される。

円形環状壁は、たとえばパンチングまたは打抜き加工によってシートメタル要素から突出し、必要な熱を生成するために回転体によって加えられる圧力に耐えるため、シートメタル要素のこれから摩擦溶接接続される領域に（平坦なシートメタルに比較して）著しく増大した安定性を与え、これにより、これから摩擦溶接接続される領域でシートメタル要素を支持するための反支持体の必要性を大幅に省く。したがって、そのような環状壁を備えたシートメタル要素は、約０．６ｍｍの厚さの比較的薄いシートメタルの場合にも、反支持体からの支持なしで、摩擦溶接接続を形成するための回転体の圧力に直接晒されることができる。これは車体などの大きなシートメタル要素の自動生産に特に重要である。なぜならばこのような生産においては、回転体に適用する工具の反対側に反支持のためにアクセスするのがしばしば困難だからである。この問題は、シートメタル要素から形成される環状壁を、必要とされる摩擦溶接接続の構成部分として使用することによって改善される。なぜならばシートメタル要素と回転体との摩擦溶接接続の発明にしたがったこの設計によって、反支持体の必要性がなくなるからである。

摩擦溶接接続の生産については、圧力面または反対圧力面のいずれかのみが円錐形状であることができる。しかしながら、代替的には両方の圧力面について円錐形状であることが可能である。いかなる場合も、摩擦溶接接続を形成する２つの構成要素の少なくとも１つが円錐形状であることによって、回転体をシートメタル要素およびそのアパーチャに適用することでとりわけ相当な径方向の圧縮力を生じることが確実になる。その力は、円錐の角度が小さくなればなるほど、大きくなり、円錐の角度は、たとえば５°から１５°の角度であると特定することができる。２つの構成要素の少なくとも１つが円錐形である摩擦溶接接続を形成するように、シートメタル要素から突出する環状壁を用いることは、回転体がシートメタル要素のアパーチャに挿入される際に特に高い径方向力が存在し、そのためシートメタル要素が許容範囲を超えて反りに晒されることなく、対応する径方向の圧力が存在することを意味する。

一方で、環状壁の設計に関しては、前記環状壁がシートメタル要素において凹部の形状で生成されること、または環状壁がノズルによって形成されることが可能であり、凹部もしくはノズルは回転体の挿入方向または挿入方向の反対の方向に形成されることができる。この目的のために必要となるのは、公知の態様で深絞り動作によって凹部を生成するか、またはパンチングもしくは打抜き加工動作によってノズルを生成する、適切なパンチングもしくは打抜き加工工具である。次に、凹部およびノズルの両方が円錐形状であってもよく、特に、それぞれの環状壁の円錐角が回転体の円錐角に適合されることができる。さらに、シートメタル要素のアパーチャに回転体を導入することを容易にするために、回転体の円錐に入口ベベルを与えることが可能である。

凹部が内側環状壁および外側環状壁を有し、断面において円形のＳ形状である場合、特に有利な凹部の設計が達成され、内側環状壁および外側環状壁の両方が円錐形であることができる。対応した形状の回転体をこのような設計の環状壁に対向するために、回転体は、シートメタル要素に面するその正面側に円周状に延在する溝を備え、その壁は内側環状壁および外側環状壁に適合される。

摩擦溶接接続を改良するために、回転体には、実質的に平坦な端面が径方向に外向きに与えられてもよく、前記端面は、ノズルの前端部とともに円錐上の摩擦溶接接続に含まれる。このような場合、摩擦溶接接続はノズルの領域に集中されるのみならず、その前端部を越えても形成される。

摩擦溶接接続に特定の程度の漏れ防止をさらにもたらすために、回転体の径方向に外向きに延在する端面には粘着性のコーティングが有利に与えられ、回転体と環状壁の隣のシートメタル要素との間にシールを生成し、前記シールは摩擦溶接接続の領域への水分の進入を防ぐとともにそれにより腐食から後者を保護する。

隣接する拡張用円錐を備えたドリル先端部が回転体に与えられていればノズルを形成するための有利な製作方法が得られ、そこではこのように形成されたノズルは、回転体の摩擦表面がノズルに隣接するよう摩擦溶接接続を形成する。このような場合、まず隣接する拡張用円錐を備えたドリル先端部がシートメタル要素に適用され、その際にシートメタル要素に穴が開けられ、続いて前記穴が拡張用円錐によって広げられて、そこに、後に摩擦
溶接接続を形成するための環状壁の圧力面を形成することとなる円錐形ノズルが形成される。

回転体がシートメタル要素の反対圧力面を係合する間、特にシートメタル要素が、コーティング、より特定的には塗料コーティングされたシートメタルから構成される場合、望ましくないことにすり減った材料が蓄積し得る。このようなすり減った材料は摩擦溶接動作を妨害しかねない。これを広範囲にわたって防ぐために、実質的に軸方向に延在する溝が回転体の反対圧力面を中断することができる。前記溝はいかなる塗料および酸化層もこすり取り、次にいかなるすり減った材料および／または汚れ粒子も受取る。溝に集積されたいかなる材料も確実に除去するために、溝は軸方向に角度をもって延在してもよく、次にこれによって、溝の傾斜に依存して、対応する材料粒子がシートメタル要素に向かってまたはそこから反対向きのいずれかに運び出されることとなる。

摩擦溶接動作中にすり減ったいかなる汚れ粒子も除去することを容易にするために、溝の隣の反対圧力面上にビードを与えることが可能である。前記ビードも同様に、摩擦溶接動作中に生成されたいかなる汚れ粒子も迅速に除去することを確実にする。

摩擦溶接体は、反対圧力面以外は、さまざまな設計であってもよい。特に、回転体がステムの端部に配置されることが可能である。しかしながら、代替的には、回転体がスリーブの外壁によって形成されるような設計であることができる。スリーブの穴は、たとえばねじを受取るよう機能してもよい。

回転体とシートメタル要素とを接合するための前述の原理の有利な適用例は、回転体およびシートメタル要素の接合点にはんだを備えることでさらに達成することができる。このような設計では、はんだは比較的低温で溶け、次に２つの構成要素、すなわち回転体の反対圧力面およびシートメタル要素をともに接合し、これにより原理としては、溶接動作がはんだの材料に限定されるものではあるが、一種の摩擦溶接接続を同様に構成する。

本発明に密接の関連する参考例とともに、本発明の例示的実施例が添付の図面に示される。
参考例として図１に示される摩擦溶接接続は、円錐形の反対圧力面２を有する回転体１から構成され、前記反対圧力面２は凹部４を有するシートメタル要素３に対して押圧され、反対圧力面２は、凹部４の円形で実質的に円筒状の環状壁５に対して押圧される。反対圧力面２の円錐形状に起因して、反対圧力面２を有する回転体１の挿入に際して凹部４の圧力面６に高い圧力がかかり、そのため、回転体１が適切に高速で回転すると、結果として圧力面６の表面が軟化され、それにより、黒い領域７によって示される摩擦溶接接続が最終的に生じる。摩擦溶接接続７がこのように生成される場合は、反対圧力面６から派生する径方向の圧力が圧力面６の上に実質的に存在するので、また、シートメタル要素３の凹部によってシートメタル要素３に安定性が与えられるので、このような摩擦溶接接続７の生成のためには、回転体１によってシートメタル要素３に高い圧力が及ぼされるにもかかわらず、反支持部の使用に頼る必要はない。回転体１はこの態様で摩擦溶接接続によってシートメタル要素に固定的かつ恒久的に固定され、次いで前記回転体１は、たとえば車体パネルにアーク溶接された溶接埋込ボルトの使用から公知のように、いかなる他の構成要素も取付けるよう機能することができる。

参考例としての図２は、図１に示された設計のいわば逆の設計を示す。図２において、回転体１は凹部４の円錐形かつ円形の環状壁９に対して、より具体的には回転体１の圧力面１０に対して押圧する、実質的に円筒状の反対圧力面８を有する。そしてこの目的のために前記圧力面１０はここでは円錐形状であって、結果として生じる摩擦溶接接続はここでも黒い領域１１によって示される。発生する径方向の力は図１による設計において生じる力と実質的に同一である。

参考例としての図３は、図１および図２による設計の変形例を示し、回転体１の反対圧力面２および凹部４の圧力面１０の両方が円錐形状である。このような設計において、回転体１が凹部４に対して押圧され始める瞬間から、回転体１の反対圧力面２は円錐状の環状壁９の圧力面１０に適合され、結果として、回転体１が凹部４に導入されると圧力面２および圧力反対面１０の長さ全体にわたって直ちに集中的な摩擦が生成される。後に続く摩擦溶接接続は、圧力面９と反対圧力面１０との間の区域において黒い領域１２として示される。

参考例としての図４は環状壁９の円形の設計を示し、より特定的にはその円形の形状を示す。
参考例としての図５による設計は、回転体の挿入方向に対向して延在する凹部１３を有するシートメタル要素３を含み、この場合、凹部１３の外側が回転体１によって囲まれる。この目的のために、凹部１３の、ここでは円錐状の環状壁１４が回転体１の内部円錐１５と対向し、回転体１の反対圧力面１６は、ここでは同様に円錐状の環状壁１４を囲む。この設計では、圧力面１５を有する環状壁１４と円錐形に形成される反対圧力面１６とは双方が互いに押圧されるので、それによって直ちに相当な長さにおいて対応する圧力を生じる結果となり、したがって、この接触表面を加熱すると、前記加熱が黒い領域で示される摩擦溶接接続１７を生じる。

図５に示される設計と類似の設計が参考例としての図６に示され、そこで円錐状の環状壁１９を有するシートメタル要素３にノズル１８が形成され、円錐状の反対圧力面２０を有する回転体１がその環状壁１９に対して押圧され、図６においては黒い領域２１として示される。

参考例としての図７は、回転体１の挿入方向に対向して延在するノズルを有するシートメタル要素３を示し、環状壁２３はシートメタル要素３からほぼ直角に、前進する回転体１に向かって延在し、そこで前記回転体１はその円錐状の反対圧力面２４とともに環状壁２３に相当な径方向の圧力を及ぼし、これによって究極的には黒い領域で示される摩擦溶接接続２５を生ずる。

参考例としての図８は摩擦溶接接続の設計の変形例を示し、そこではシートメタル要素３からほぼ直角に反対側に延在する環状壁２６を有するノズル２７が与えられ、前記環状壁２６はここでは回転体１の挿入方向に対向してノズル２７を形成し、環状壁２６は回転体１の対応する溝２８を円周状に貫き、そこで前記溝２８のテーパ形状（konizitaet）に起因して、環状壁２６が圧縮され、回転体１が回転されると必要な加熱を生じる。この設計において、この場合は円形の摩擦溶接接続の両側を指す黒い領域２９が、ここでもまた摩擦溶接接続の形成を示す。

参考例としての図９および図１０は２つの回転体を示し、各々は入口ベベル３０を備える。図９による設計は突起部３１を伴って示され、突起部３１はたとえば図３の凹部４または図７の環状壁２３に対して押圧されることができる。図１０に示される設計にも同じことがあてはまり、既に図５に関連して説明されたように、突起部３１は環状壁に対していわば押圧されることができる。図９および図１０に示される参考例の両方において、入口ベベル３０は、回転体がそれぞれ挿入される間、対応する合わさる構成要素が適切に導かれることを確実にする。

図８の設計と類似の設計が参考例としての図１１に示され、そこでは凹部４のみが内側環状壁３２および外側環状壁３３へとＳ形状に遷移し、これにより回転体１に、図８に示された設計におけるものと同様の接触表面が与えられ、したがって、そこでは内部環状壁３２および外部環状壁３３が円形の溝２８の壁によって囲まれ、黒く表わされる摩擦溶接接続３４および３５を次に結果として生じる。

参考例としての図１２によれば、回転体１の端面３６はさらにノズルから派生する環状壁３７の端面を摩擦溶接接続に含むために用いられる。なぜならば、すなわち回転体１が環状壁３７の内部領域に挿入される際に、その端面３６もまた前記環状壁の端面に対して当たるので、それにより自動的に前記端面を摩擦溶接接続に含むからである。ここでも図１２において摩擦溶接接続は黒い領域３６によって示される。

参考例としての図１３によれば、径方向に外向きに導かれる、回転体１の平坦な端面も、接着剤コーティング３９が与えられた場合、黒い領域４０で示される摩擦溶接接続３８が特に漏れ防止されるのを確実にするために用いられることができる。この目的のために、端面３６は接着剤コーティング３９を備え、摩擦溶接接続３８の形成の際に、これが次にシートメタル要素３に対して押圧されて、その時点で摩擦溶接接続３８の周りに漏れ防止シールを実現する。

本発明の実施例としての図１４および図１５は後に続く摩擦溶接接続４４を伴うノズルの形成を示し、そこで回転体１は挿入される尖った先端部４１およびさらに拡張用円錐４２を備える。挿入される尖った先端部４１がまずシートメタル要素３に穴を開け、最終的に拡張用円錐が穴を所望の直径に拡張し（図１５参照）、そこで環状壁４３は自動的にシートメタル要素３のノズル４５を生成し、これがいわば一石二鳥で、すなわち一方ではシートメタル要素３に必要なアパーチャを生成し、他方では環状壁４３でノズル４５をも生成して、環状壁４３の内側には次に黒い領域４４で示される摩擦溶接接続が形成される。

参考例としての図１６は、図１の回転体の設計と基本的には同一の回転体１を示す。しかしながら図１６においては、反対圧力面２は軸方向に延在する溝５０を備え、そのうち１つの溝のみが図１６に示される。反対圧力面２を見る軸方向の回転体１の上面図は、図１７に示されるように４つの軸方向溝５０を示し、回転体１の回転の際、塗布剤または酸化層が剥がれ落ちたり、そこに研削された材料が集積されたりしないことを確実にする。

参考例としての図１８は上述の溝の設計の変形例を示す。この場合、回転体１は斜めに延在する溝５１を反対圧力面２の領域に与えられる。この斜めの方向に起因して、外向きに導かれたインパルスが溝５１に集積される汚れ粒子に加えられ、そこで回転方向に依存して、汚れ粒子は回転体の底面５２に向かってまたはフランジ５３に向かって動かされる。

図１７と同様に、図１９は回転体１の軸方向の上面図を示し、そこで反対圧力面２は溝５０のみならず、溝５０の各々に隣接して、溝５０の研磨作用をさらに強化する２つの隣接するビード５４を備える。

参考例としての図２０は前記で説明された設計と比較して修正された回転体の設計を示す。この場合、回転体はスリーブ５５の形状を有し、その外側表面に円錐状の反対圧力面５６を備える。シートメタル要素３およびスリーブ５５の間の接続は、上記の図面に既に示されたように、黒い線５８で示され、そこで摩擦溶接接続が発生している。スリーブ５５はさらに穴５７を備え、前記穴５７はたとえばねじを受取るように機能する。

円錐状の回転体とともに、円筒状の凹部を備えたシートメタル要素を示す図である。 円筒状の回転体とともに、円錐状の凹部を備えたシートメタル要素を示す図である。 円錐状の回転体とともに、円錐状の凹部を備えたシートメタル要素を示す図である。 凹部の円錐状の環状壁の円形の形状を示すために、回転体を伴わずに図３のシートメタル要素を示す図である。 円錐状の回転体の挿入方向と対向する円錐状の凹部を示す図である。 円錐状のノズルおよび円錐状の回転体を有するシートメタルを示す図であって、ノズルがシートメタル要素から回転体の挿入方向に突出している。 円錐状の回転体の挿入方向と対向して延在するノズルを有するシートメタル要素を示す図である。 回転体の挿入方向と対向してかつ直角に延在するノズルを有するシートメタル要素を示す図であって、対応する円形に延在する円錐状の溝がノズルを有する回転体に与えられている。 入口ベベルを有する回転体を示す図である。 入口ベベルを有する回転体を示す図である。 Ｓ形状の凹部および対応して設計される回転体とともにシートメタル要素を示す図である。 回転体の挿入方向に対向して延在するノズルとノズルの前端部の上に延在する摩擦溶接接続とを有するシートメタル要素を示す図である。 凹部および挿入された回転体を有するシートメタル要素を示す図であって、回転体の径方向に外向きに延在する端面が自己接着性の層を備えている。 回転体の挿入方向にノズルを生成するための、隣接する拡大用円錐を有するドリル先端部の使用を示す図である。 回転体の挿入方向にノズルを生成するための、隣接する拡大用円錐を有するドリル先端部の使用を示す図である。 回転体の反対圧力面を示す図であって、前記反対圧力面が軸方向の溝を備えている。 図１６による設計の上面図である。 斜めに延在する溝を有する回転体の反対圧力面を示す図である。 反対圧力面の溝と隣接するビードとを有する回転体の上面図である。 スリーブ形状の回転体を示す図である。

Claims (2)

1. シートメタル要素とそれに挿入された回転体であって、これらの部分は摩擦溶接接続によって一体に接続されており、
   前記シートメタル要素（３）はノズル（４５）を形成する突出した円形環状壁（４３）を含み、前記環状壁（４３）は一つの圧力面（６）を形成しており、前記回転体（１）は拡張用円錐（４２）を含んでいて対向圧力面（２）で前記圧力面（６）に押圧されており、両方の押圧面（２、６）が円錐状に延在しており、前記回転体（１）の挿入によって前記拡張用円錐（４２）が前記環状壁（４３）に増大する圧力を加えて拡張させており、前記回転体（１）と前記環状壁（４３）との間に存在する摩擦溶接接続（４４）が前記回転体（１）を回転させることによって達成されており、
   前記ノズルを形成する前記環状壁（４３）は前記回転体（１）が挿入される方向に前記シートメタル要素（３）から突出しており、
   前記ノズル（４５）の形成のために、前記回転体（１）は挿入される尖った先端部（４１）と続いて前記ノズル（４５）に溶接するための前記拡張用円錐（４２）が与えられており、形成されたノズル（４５）とこのノズルに沿う前記回転体（１）の摩擦面とが前記摩擦溶接接続（４４）を構成していることを特徴とするシートメタル要素とそれに挿入された回転体。
2. 前記回転体の円錐は径方向の外側へ広がる実質的に平坦な端面（３６）に結合していることを特徴とする請求項１に記載のシートメタル要素とそれに挿入された回転体。

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