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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6533855
(24)【登録日】2019年5月31日
(45)【発行日】2019年6月19日
(54)【発明の名称】抵抗溶接ファスナ、装置及び方法
(51)【国際特許分類】
B23K 11/20 20060101AFI20190610BHJP
B23K 11/11 20060101ALI20190610BHJP
B23K 35/04 20060101ALI20190610BHJP
【ＦＩ】
B23K11/20
B23K11/11 540
B23K35/04
【請求項の数】6
【外国語出願】
【全頁数】39
(21)【出願番号】特願2018-122760(P2018-122760)
(22)【出願日】2018年6月28日
(62)【分割の表示】特願2016-567463(P2016-567463)の分割
【原出願日】2015年2月2日
(65)【公開番号】特開2018-171658(P2018-171658A)
(43)【公開日】2018年11月8日
【審査請求日】2018年7月4日
(31)【優先権主張番号】61/934,951
(32)【優先日】2014年2月3日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】516343516
【氏名又は名称】アーコニック インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＡＲＣＯＮＩＣ ＩＮＣ．
(74)【代理人】
【識別番号】110001438
【氏名又は名称】特許業務法人 丸山国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】スピネッラ，ドナルド，ジェイ．
(72)【発明者】
【氏名】バーグストロム，ダニエル
【審査官】
黒石 孝志
(56)【参考文献】
【文献】
特開平７−２１４３３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平９−８５４５４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
登録実用新案第３０４１８５２（ＪＰ，Ｕ）
【文献】
特開平９−２０１６７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２００９／０１２０９１３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
米国特許第６２９１７９２（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】
特開昭６２−２８０８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平４−１１８１７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表昭６２−５０１１３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平９−１７４２４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１４−１８８１０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｂ２３Ｋ １１／２０
Ｂ２３Ｋ １１／１１
Ｂ２３Ｋ ３５／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の導電性材料を、第２の導電性材料に電気抵抗溶接を用いて固定する方法において、
第１の導電性材料及び第２の導電性材料を物理的且つ電気的に接触させて一緒に配置する工程であって、第１の導電性材料の融点は、第２の導電性材料よりも低い、工程と、
第２の導電性材料に溶接可能であって、融点が第１の導電性材料よりも高い導電性ファスナを、第１の導電性材料と物理的且つ電気的に接触させて配置して、ファスナ、第１の導電性材料、及び第２の導電性材料を含む導電性スタックを形成する工程であって、ファスナは、キャップと、キャップが延びる方向にほぼ垂直な方向に延びるステムとを有している、工程と、
ファスナを配置してスタックを形成する工程の前又は後に、ファスナと第１の導電性材料の間にシーラントを付着させる工程であって、シーラントは、配置する工程の間にファスナが配置されることとなる第１の導電性材料の近接したキャップ、又は第１の導電性材料の表面の少なくとも１つに付着されるビーズ、環、ディスク、バンド、又はシーラントの堆積物の少なくとも１つの形態であり、スタックに電流を流せるように、ファスナはシーラントを通って延出する、工程と、
スタックにわたって電位を加えて、スタックを流れる電流を誘導して抵抗加熱を生じさせて、第１の導電性材料の軟化を引き起こす工程と、
軟化した第１の導電性材料を通して第２の導電性材料に向けてファスナを押し進める工程と、
ファスナが第２の導電性材料と接触した後に、ファスナを第２の導電性材料に溶接する工程と、
を含んでおり、
ファスナを配置する工程は、ファスナと異なる材料組成を有するキャリアウェブにファスナを保持して、ウェブ及びファスナを、第１の導電性材料にわたって選択された位置に移動させて、溶接する工程の後にウェブをファスナから分離する工程を含んでおり、
ウェブの一部は、押し進める工程の間と分離する工程の前に、ファスナのキャップと第１の導電性材料の間に捕らえられ、ウェブは、シーラント、腐食軽減フィルム、接着剤又は鑞付け媒体である、方法。
第１の導電性材料及び第２の導電性材料を物理的且つ電気的に接触させて一緒に配置する工程であって、第１の導電性材料の融点は、第２の導電性材料よりも低い、工程と、
第２の導電性材料に溶接可能であって、融点が第１の導電性材料よりも高い導電性ファスナを、第１の導電性材料と物理的且つ電気的に接触させて配置して、ファスナ、第１の導電性材料、及び第２の導電性材料を含む導電性スタックを形成する工程であって、ファスナは、キャップと、キャップが延びる方向にほぼ垂直な方向に延びるステムとを有している、工程と、
ファスナを配置してスタックを形成する工程の前又は後に、ファスナと第１の導電性材料の間にシーラントを付着させる工程であって、シーラントは、配置する工程の間にファスナが配置されることとなる第１の導電性材料の近接したキャップ、又は第１の導電性材料の表面の少なくとも１つに付着されるビーズ、環、ディスク、バンド、又はシーラントの堆積物の少なくとも１つの形態であり、スタックに電流を流せるように、ファスナはシーラントを通って延出する、工程と、
スタックにわたって電位を加えて、スタックを流れる電流を誘導して抵抗加熱を生じさせて、第１の導電性材料の軟化を引き起こす工程と、
軟化した第１の導電性材料を通して第２の導電性材料に向けてファスナを押し進める工程と、
ファスナが第２の導電性材料と接触した後に、ファスナを第２の導電性材料に溶接する工程と、
を含んでおり、
ファスナを配置する工程は、ファスナと異なる材料組成を有するキャリアウェブにファスナを保持して、ウェブ及びファスナを、第１の導電性材料にわたって選択された位置に移動させて、溶接する工程の後にウェブをファスナから分離する工程を含んでおり、
ウェブの一部は、押し進める工程の間と分離する工程の前に、ファスナのキャップと第１の導電性材料の間に捕らえられ、ウェブは、シーラント、腐食軽減フィルム、接着剤又は鑞付け媒体である、方法。
【請求項2】
抵抗加熱する工程の前において、シーラントには流動性がなく、
抵抗加熱する工程の間にシーラントを流動性にする工程をさらに含み、シーラントは、溶接する工程が完了した後にキャップと第１の導電性材料の界面の少なくとも一部に密着してカバーして、流動性がない状態に戻る、請求項１に記載の方法。
抵抗加熱する工程の間にシーラントを流動性にする工程をさらに含み、シーラントは、溶接する工程が完了した後にキャップと第１の導電性材料の界面の少なくとも一部に密着してカバーして、流動性がない状態に戻る、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
抵抗溶接ファスナを適用するための電気抵抗溶接電極のチップにおいて、当該チップは、とっくり鼻形状を有しており、溶接電極に近接した直径部分はより大きく、電極より遠位にある直径部分は縮小しており、縮小した直径部分は、溶接中にファスナと接触するアールが形成された半球状の端部と、より大きい直径部分と半球状の端部との間を延びる移行部とを有している、チップ。
【請求項4】
移行部は、より大きな直径部分の外壁に対してある角度をなして配置された真っ直ぐの壁である、請求項３に記載のチップ。
【請求項5】
移行部は、二重の湾曲部の形態である、請求項３に記載のチップ。
【請求項6】
移行部は、アールが形成された端部の半径の少なくとも２倍の半径を有する表面の形態である、請求項３に記載のチップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
［関連出願の相互参照］本願は、２０１４年２月３日出願の米国仮出願第６１／９３４，９５１号、表題「Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｆａｓｔｅｎｅｒ，Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ」の利益を主張し、この出願の全体が、引用を以て本明細書に組み込まれる。
【0002】
本発明は、部品を固定する、より詳細には、異種金属を含む金属を固定するためのファスナ、固定装置及び固定方法に関する。
【背景技術】
【0003】
部品又はサブユニットを接合して組み合わせる種々のファスナ、装置、及び方法が知られており、例えば、溶接、リベット留め、ネジ付きファスナなどがある。場合によっては、アルミニウムの部品、サブユニット、層などを、他の材料で作られている他の部品、サブユニット、層などにコスト効率良く接合する必要がある。他の材料には、例えば鋼（裸の、コーティングされた、低炭素の、高い強度の、非常に高い強度のステンレス）、チタン合金、銅合金、マグネシウム、プラスチックなどがある。固定に関するこれらの問題の解決策として、機械的ファスナ／リベットを、接着剤及び／又はバリア層と組み合わせて、十分な接合強度を維持する一方で、腐食を最小限に抑えることが挙げられる。腐食は、例えば、異種金属の接合部に存在するガルバニック効果に起因する。アルミニウムと他の材料の間で直接的に溶接することは、一般的に利用されない。なぜならば、アルミニウム及び他の材料によって発生する金属間化合物が、機械的強度及び耐食性に悪影響を及ぼすからである。直接的な溶接が利用される場合、通常、金属間化合物をできるだけ少なくする、ある種の固相溶接（摩擦、すえ込み（upset）、超音波その他）又は鑞付け／はんだ付け技術となる。しかしながら、そのような接合の機械的性能は、時折不十分であるか、独特の接合幾何構造にしか適用可能でない。
【0004】
自動車産業において、鋼を鋼に接合する現行の技術は、コスト及びサイクル時間が考慮されることから、抵抗スポット溶接（ＲＳＷ）である（個々の接合あたり３秒未満であり、ロボットで実行され得る）。アルミニウムを鋼に接合する既知の方法として、従来のスルーホールリベット／ファスナ、セルフピアスリベット（ＳＰＲ）の使用、フロードリルネジ（ＦＤＳ、又はＥＪＯＴＳの商標名）の使用、摩擦撹拌スポット溶接／接合（ＦＳＪ）、摩擦ビット接合（ＦＢＪ）の使用、及び接着剤の使用が挙げられる。これらのプロセスはそれぞれ、鋼と鋼の抵抗スポット溶接（ＲＳＷ）よりも難しい。例えば、高い強度のアルミニウム（２４０ＭＰａを超える）を、ＳＰＲを用いて鋼に繋げる場合、リベット留めプロセス中にアルミニウムにヒビが入る虞がある。さらに、高い強度の鋼（＞５９０ＭＰａ）は、貫通するのが困難であり、大きくて重いリベット留めガンによって、大きい力を加える必要がある。ＦＳＪは、自動車産業において広く利用されていない。なぜならば、接合特性（主に剥離及び十字引張）がＳＰＲと比較して低いからである。また、ＦＳＪは、非常に正確なアラインメント及び取付け（fitup）を必要とする。接合部の厚さが増すにつれ、プロセスのサイクル時間が劇的に増大し得る。５ｍｍから６ｍｍの接合部の積み重ね（stack-up）では、７から９秒の総処理時間が必要となることがあり、鋼構造を製造する場合には、ＲＳＷの２から３秒のサイクル時間をかなり超える。ＦＢＪは、ビットを使用しており、当該ビットは、アルミニウムを通って回転し、その後鋼に溶接される。このプロセスは、ＦＳＪと同様に、非常に正確なアラインメント及び取付けを必要とし、高い鍛造（forging）力が、鋼への溶接に必要とされる。ＦＤＳは、ネジをワークピース中に螺入し、シートの１つを可塑化する工程を含み、シートの１つはその後、当該ネジのネジ山と組み合わされる。ＦＤＳは通常、片側から適用され、鋼シートのパイロットホールとのアラインメントを必要とするので、アセンブリを複雑にし、コストがかかる。従って、部品又はサブユニットを接合且つ組み合わせるための別のファスナ、装置、及び方法が依然として所望されている。
【発明の概要】
【0005】
開示される主題は、第１の導電性材料を、第２の導電性材料に、電気抵抗溶接を用いて固定する方法に関しており、以下の工程を含む：第１の材料と第２の材料を、物理的且つ電気的に接触させて一緒に配置する工程であって、第１の材料の融点は、第２の材料よりも低い、工程；第２の材料に溶接可能であり、且つ融点が第１の材料よりも高い導電性ファスナを、第１の材料と物理的且つ電気的に接触させて配置して、ファスナ、第１の材料、及び第２の材料を含む導電性スタックを形成する工程；ファスナを配置してスタックを形成する工程の前に、又はこの工程の後に、ファスナと第１の材料の間にシーラントを塗布する工程；スタックにわたって電位を加えて、スタックを流れる電流を誘導して、第１の材料の軟化を引き起こす抵抗加熱を起こす工程；軟化した第１の材料を通してファスナを第２の材料に向けて付勢する工程；ファスナが第２の材料と接触した後に、ファスナを第２の材料に溶接する工程。
【0006】
本発明の別の態様によれば、ファスナは、キャップと、キャップから直角に延びるステム（stem）とを有している。シーラントは、ビーズ、環、ディスク、バンド、又はシーラントの堆積物の少なくとも１つの形態であって、第１の材料の近位にあるキャップ、又は、配置工程の間にファスナが配置されることとなる第１の材料の表面の少なくとも１つに塗布される。
【0007】
本発明の別の態様によれば、シーラントは、接着剤、ポリマー、鑞付け材料、又ははんだの少なくとも１つである。
【0008】
本発明の別の態様によれば、抵抗加熱工程の間にシーラントを流動性にする工程をさらに含み、シーラントは、溶接工程が完了した後に、キャップと第１の材料の界面の少なくとも一部に密着してこれをカバーする。
【0009】
本発明の別の態様によれば、ファスナを配置する工程は、ファスナをキャリアウェブ中に保持して、ウェブ及びファスナを、第１の材料を覆うようにして、選択された位置に移動させる工程を含み、そして、溶接工程の後にウェブをファスナから分離する工程を更に含む。
【0010】
本発明の別の態様によれば、ウェブの一部が、付勢工程の間、そして分離工程の前に、ファスナと第１の材料の間に取り込まれる。
【0011】
本発明の別の態様によれば、取り込まれたウェブの一部は、シーラントである。
【0012】
本発明の別の態様によれば、第１の導電性材料を、第２の導電性材料に、電気抵抗溶接を用いて固定するためのファスナは、キャップと、キャップから延び、且つキャップより遠位に端部を有するシャフトとを含んでいる。ファスナは、位置決めされた第１の導電性材料及び第２の導電性材料を含むスタックに電気的に接触して配置され、且つスタックにわたって加えられた電位を受けると、スタックを通る電流を流すことができる。電流により抵抗加熱が生じて、キャップより遠位にある端部にて第２の材料に溶接することができ、第１の材料は、端部が第２の材料に溶接された後に、キャップと第２の材料の間に取り込まれる。ファスナは、複数の層を有し、第１の層が、第１の組成を有し、第２の層が、第１の組成と異なる第２の組成を有する。
【0013】
本発明の別の態様によれば、第１の層は鋼であり、第２の層はアルミニウムである。
【0014】
本発明の別の態様によれば、第１の材料は鋼であり、第２の材料はアルミニウムである。第２の層は、第１の材料のアパーチャを通って延びて、電気抵抗溶接を受けた後に、アルミニウムの第２の材料と接触して、これに接合する。
【0015】
本発明の別の態様によれば、第２の層は、ファスナの下面全体に沿って存在する下側層であって、ファスナのキャップの下側部、ファスナのシャフトの外面、及びシャフトの端部の外面を含む。
【0016】
本発明の別の態様によれば、第２の層は、キャップより遠位にあるシャフトの端部の下面に沿って存在する下側層である。
【0017】
本発明の別の態様によれば、第２の層は、キャップの下面及びシャフトの外側面に沿って存在するが、キャップより遠位にあるシャフトの端部上には存在しない下側層である。
【0018】
本発明の別の態様によれば、シャフトの端部は、第２の層が当接する周縁レッジを有する。
【0019】
本発明の別の態様によれば、第１の層は、第２の材料への溶接に適合しており、第２の層は、第１の材料への溶接に適合している。
【0020】
本発明の別の態様によれば、第１の層は鋼であり、第１の材料はアルミニウムであり、第２の材料は鋼であり、第２の層は、チタン、ステンレス鋼、及びコールドスプレーされたアルミニウムから選択される。
【0021】
本発明の別の態様によれば、第１の層は、第２の材料への溶接に適合しており、第２の層は電気絶縁体であり、第１の層は、第２の層を通って延びて、第２の材料と電気的に接触する。
【0022】
本発明の別の態様によれば、第２の層は、セラミック、及びポリマーから選択される。
【0023】
本発明の別の態様によれば、複数の層は、複数の層の２つの間に挿入される拡散バリアを含んでおり、２つの層は、異種金属であり、拡散バリアに対して、第１の層が上方にあり、第２の層が下方にある。
【0024】
本発明の別の態様によれば、第１の層は、鋼、チタン、及び銅の少なくとも１つであり、第２の層はアルミニウムであり、拡散バリアは、高純度アルミニウム、チタン又は亜鉛の少なくとも１つである。
【0025】
本発明の別の態様によれば、第２の層は、ファスナの端部に繋がれる。
【0026】
本発明の別の態様によれば、第１の導電性材料を第２の導電性材料に、電気抵抗溶接を用いて固定するためのファスナは、キャップと、キャップから延び、且つキャップより遠位に端部を有するシャフトとを含んでいる。ファスナは、位置決めされた第１の導電性材料及び第２の導電性材料を含んでおり、第１の材料が第２の材料よりも融点が低いスタックに電気的に接触して配置されて、スタックにわたって加えられた電位を受けると、電流をスタックに流すことができる。電流により、抵抗加熱が生じて、キャップより遠位にある端部にて第２の材料に溶接できる。第１の材料は、端部が第２の材料に溶接された後に、キャップと第２の材料との間に取り込まれる。シャフトは、キャップとキャップより遠位にある端部との間の断面が中実である。
【0027】
本発明の別の態様によれば、キャップは、溶接電極の表面から延びる突出部を受け入れることができる窪み部を有しており、電極のチップとキャップとの接触領域は、チップにおける第２の材料との接触領域を上回る。
【0028】
本発明の別の態様によれば、キャップは、アールが形成された窪み部を有しており、当該窪み部は、溶接電極のチップから突出しており、アールが形成された表面を受け入れることができる。
【0029】
本発明の別の態様によれば、キャップは、その表面から延びており、溶接電極のチップの表面の窪み部に受け入れられる突出部を有する。
【0030】
本発明の別の態様によれば、第１の導電性材料を第２の導電性材料に、電気抵抗溶接を用いて固定するためのファスナは、キャップと、キャップから延び、且つキャップより遠位に端部を有するシャフトとを含んでいる。ファスナは、位置決めされた第１の導電性材料及び第２の導電性材料を含むスタックに電気的に接触して配置されて、スタックにわたって加えられた電位を受けると、電流をスタックに流すことができる。電流によって、抵抗加熱が生じて、キャップより遠位にある端部にて第２の材料に溶接される。第１の材料は、端部が第２の材料に溶接された後に、キャップと第２の材料の間に取り込まれ、キャップは、シャフトの端部に向けて曲がり戻っているので、外側の周辺部は、端部とおおよそ同じ広がりを有している。キャップは、キャップの外側の周辺部に取り付けられる電気絶縁体を備えている。絶縁体は、端部を流れる電流と平行に、電流が外側の周辺部を流れるのを防止することができる。キャップは、第１の材料を通る端部を受け入れるように曲がることができ、且つ絶縁体が第１の材料の表面に当接しながら、第２の材料に溶接される。
【0031】
本発明の別の態様によれば、第１の導電性材料の複数の隣接する層を第２の導電性材料に、電気抵抗溶接を用いて固定する方法は、以下の工程を含んでいる：第１の材料及び第２の材料を物理的且つ電気的に接触させて一緒に配置する工程であって、第１の材料は、融点が第２の材料よりも低い、工程；第２の材料に溶接可能であり、且つ融点が第１の材料よりも高い導電性ファスナを、第１の材料と物理的且つ電気的に接触させて配置して、ファスナ、第１の材料、及び第２の材料を含む導電性スタックを形成する工程；スタックにわたって電位を加えて、スタックを流れる電流を誘導して、抵抗加熱を生じさせて、第１の材料の軟化を引き起こす工程；軟化した第１の材料の複数の層を通して第２の材料に向けてファスナを付勢する工程；ファスナが第２の材料と接触した後に、ファスナを第２の材料に溶接する工程であって、第１の材料の複数の層は、ファスナが通るところに近接して互いに溶接される、工程。
【0032】
本発明の別の態様によれば、第２の材料は、第２のファスナであり、第１の材料の複数の層は、第１のファスナ及び第２のファスナの少なくとも１つに近接して一緒に溶接される。
【0033】
本発明の別の態様によれば、第１の導電性材料を第２の導電性材料に、電気抵抗溶接を用いて固定する方法は、以下の工程を含んでいる：第１の材料を、Ｊ字状の断面を有する構成に折り曲げる工程；第２の材料をＪ字形状の湾曲部に挿入する工程であって、第１の材料及び第２の材料は物理的且つ電気的に接触し、第１の材料は融点が第２の材料よりも低い、工程；第２の材料に溶接可能であり、且つ融点が第１の材料よりも高い導電性ファスナを、Ｊ字形状の短側（short side）に対して、第１の材料と物理的且つ電気的に接触させて配置して、ファスナ、第１の材料、及び第２の材料を含む導電性スタックを形成する工程；スタックにわたって電位を加えて、スタックを流れる電流を誘導して、抵抗加熱を生じさせて、Ｊ字形状の短側で第１の材料の軟化を引き起こす工程；軟化した第１の材料を通して第２の材料に向けてファスナを付勢する工程；ファスナが第２の材料と接触した後に、ファスナを第２の材料に溶接する工程。
【0034】
ファスナは、Ｊ字形状の短側を挿通し、Ｊ字の他方の側の第１の材料の外面を乱すことなく、第２の材料に溶接する。
【0035】
本発明の別の態様によれば、本方法は、ヘム（hem）を形成する複数のファスナに対して繰り返される。
【0036】
本発明の別の態様によれば、抵抗溶接ファスナに適用するための電気抵抗溶接電極のチップが提供される。チップは、とっくり鼻（bottlenose）形状を有し、溶接電極に近接する直径部分はより大きく、電極より遠位にある直径部分は縮小しており、縮小した直径部分における、溶接中にファスナと接触する端部には、アールが形成されている。
【0037】
本発明の別の態様によれば、縮小した直径部分からより大きな直径部分への移行部があり、当該移行部は、より大きな直径部分の外壁に対してある角度をなして配置された真っ直ぐの壁の形態である。
【0038】
本発明の別の態様によれば、縮小した直径部分からより大きな直径部分への移行部は、二重湾曲（double curve）の形態である。
【0039】
本発明の別の態様によれば、縮小した直径部分からより大きな直径部分への移行部があり、当該移行部は、アールが形成された端部の半径の少なくとも２倍の半径を有する表面の形態である。
【0040】
本発明の別の態様によれば、第１の材料を第２の導電性材料に、電気抵抗溶接を用いて固定する方法は、以下の工程を含む：第１の材料にアパーチャを設ける工程；第１の材料及び第２の材料を物理的に接触させて一緒に配置する工程；第１の材料のアパーチャよりも大きなキャップと、少なくとも一部がアパーチャを通過し得るシャフトとを有する導電性ファスナであって、第２の材料に溶接できるファスナを提供する工程；第１の材料のアパーチャを通してファスナのシャフトを、第２の材料と電気的に接触させて配置して、ファスナ、第１の材料、及び第２の材料を含むスタックを形成する工程；スタックにわたって電位を加えて、スタックを流れる電流を誘導して、抵抗加熱を生じさせて、ファスナ及び第２の材料の軟化を引き起こす工程；ファスナを第２の材料に溶接して、第１の材料をキャップと第２の材料の間に捕らえる工程とを含む。
【0041】
本発明の別の態様によれば、第１の材料は、電気的に非導電性である。
【0042】
本発明の別の態様によれば、第１の材料は、プラスチックである。
【0043】
本発明の別の態様によれば、第１の材料は、セラミックである。
【0044】
本発明のより完全な理解については、例示的な実施形態の以下の詳細な記載を、添付の図面を共に考慮して参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【発明を実施するための形態】
【0046】
図１及び図２は、ファスナ１０を示しており、ファスナ１０は、周縁キャップ１２と、キャップ１２の反対側に鈍く尖った端部１６を有する先細りシャフト１４とを有している。内部の空洞Ｈが、キャップ１２を通ってシャフト１４中に延びている。ファスナ１０は、伝導性の金属、例えば鋼又はチタンで作られていてよく、それにより、抵抗スポット溶接プロセスをサポートすることができる。キャップ１における、エッジから頂部までの寸法はＣＥであり、直径はＣＤである。ステムの直径はＳＤであり、キャップ１２から端部１６までの長さはＳＬである。以下に記載されるように、これらの寸法は、ファスナ１０の用途に応じて、例えば、ファスナ１０が使用されて接合される部品の厚さ及び型に応じて変化してよい。一例において、直径ＣＤは、約４ｍｍから１６ｍｍの範囲に、長さＳＬは、約３ｍｍから１０ｍｍの範囲に、ＣＥは、約０．５から３．０ｍｍの範囲に、そしてＳＤは、約２から１２ｍｍの範囲にあってよい。図３は、図１と同様なファスナ２０を示すが、寸法が異なる。即ち、シャフト２４がより細く、端部２６がより鋭く尖っている。
【0047】
図４は、本発明の実施形態に基づくファスナ１０ａが、金属、例えばアルミニウム合金の第１の層１１に挿通されて、金属、例えば鋼合金の第２の層１３に溶接されて、積層体構造Ｌ１が形成される模様を示している。これは、Ａ〜Ｅとラベル付けされた逐次的なステージに示されている。ステージＡで示されるように、このプロセスは、対向する電極を有する従来のスポット溶接ステーションにて実施されてよく、それらのチップ１５ａ及び１７ａは、金属シート／層１１、１３から離間して示されており、ファスナ１０ａは、チップ１５ａと層１１の間に挿入可能とされている。チップ１５ａは、表面Ｓ１を有し、その形状は、溶接プロセスを通して、ファスナ１０ａを受け入れ、ファスナ１０ａを支持し、成形し、及び／又は保持することができる。ステージＢにて、対向する力Ｆ１、Ｆ２が、従来の溶接機械（不図示）によって作用されて、チップ１５ｂ、１７ｂが互いに向けて移動し、これらの間にファスナ１０ｂ及び層１１、１３が取り込まれて、電流Ｉが、結合したこれらの要素を通るように流される。力Ｆ１、Ｆ２、及び電流Ｉは、ステージＢ〜ステージＥの間中加えられており、それぞれの大きさ及び継続時間は、各ステージでの要求に応じて変化してよい。例えば、ステージＢにおいてアルミニウムを加熱／可塑化するのに必要とされる電流Ｉは、ステージＤ及びステージＥにおいて生じる、鋼を鋼に溶接するのに必要とされる電流Ｉよりも少なくてよい。同様に、力Ｆ１及びＦ２は、変化するプロセス要求に適合するように変化してよい。
【0048】
電流Ｉは、ファスナ１０ｂ及び層１１、１３の各々を、アルミニウム層１１が可塑化して、ファスナ１０ｂによって置換／貫通され得る温度に加熱する。アルミニウム層１１は、電流Ｉによって電気抵抗的に、そして、ファスナ１０ｂ及び層１３の双方からの伝導によって加熱される。ファスナ１０ｂ及び層１３の熱伝導率及び導電率は、アルミニウム層１１よりも低くされており、以下に記載されるように、鋼で抵抗スポット溶接するのに適しており、抵抗スポット溶接手段において典型的に実現される低電流を用いて、アルミニウム層を可塑化するのに必要とされる熱が発生して、層１３への溶接がなされる。アルミニウムの融点は、鋼層１３又はこの例では鋼であるファスナ１０ｂよりも低いので、アルミニウム層１１は可塑性状態に達して、ファスナ１０ｂによる置換が可能となり、ファスナ１０ｂの端部１６ｂがアルミニウム層１１に貫入することができる。ステージＣに示されるように、アルミニウム層１１中へのファスナ１０ｃの挿入により、置換された可塑化アルミニウムの上昇部（upwelling）１１Ｕが生じて、層１１の元の上面１１Ｓの上に盛り上がる。ステージＤに示されるように、ファスナ１０ｄは層１１に完全に貫入して、鋼層１３と接触し、その結果、ファスナ１０ｄの端部１６ｄが溶融し始めて平らになり、溶融金属のゾーンＰｄが、層１３の界面及びファスナの端部１６ｄにて形成され始める。ゾーンＰｄは、溶接材料、即ち「ナゲット（nugget）」であり、そこでファスナ１０ｄ及び層１３の金属は溶けて混ざり合う。ステージＥに示されるように、互いに近寄る力Ｆ１、Ｆ２と電流Ｉを継続的に適用することで、端部１６ｅとステム１４ｅの全長の一部とが、溶融ゾーンＰｅの拡大と共に、さらに鈍くなって溶融する。ステージＥはまた、キャップ１２ｅが上面１１Ｓのレベルにまで下がって、ファスナ１０ｅがアルミニウム層１１に完全な挿入することに起因する上昇部１１ｕをカバー且つシールすることを示している。
【0049】
ステージＥを完了した後、力Ｆ１、Ｆ２及び電流Ｉが除去されて、チップ１５ｅ及び１７ｅが引っ込められてよい。前述のプロセスは、電流Ｉが流れて電気抵抗加熱をもたらすのをバリア層が防止しない限りにおいて、バリア層に実施されてもよい。バリア層は、例えば、表面前処理又は塗料／プライマーの接着層（不図示）であって、表面１１Ｓに、及び／又は層１１、１３の間に施されている。このようにして、層１１、１３の異種金属間の接触は、好ましくないガルバニック相互作用及び腐食と共に、軽減され得る。プロセスにおける貫入フェーズ及び溶接フェーズ中にてファスナ１０を部分的に溶融することで、ファスナ１０ａは、広範な層１１の厚さに適合することができる。
【0050】
ファスナ１０ａのキャップ１２ａは、環状凹部を規定しており、当該凹部は、キャップ１２ａがアルミニウム層１１の表面１１Ｓ上で「底を打つ（bottom out）」と、アルミニウムと、貫入（ステージＢ及びステージＣ）及び溶接（ステージＤ及びステージＥ）から発生した金属間化合物とを受け入れ、捕捉し、封じ込めることができる。アルミニウム及び金属間化合物のこの閉込めは、腐食性能と、ファスナ１０ａによる接合強度とを大幅に向上させる。キャップ１２ａは、溶接プロセス前にファスナ１０ａに形成されてよく、溶接中にその場で（in-situ）形成されてもよい。図８を参照して以下でより十分に記載されるように、ファスナ１０ａの幾何構造と、その、チップ１５ａ及び表面Ｓ１との相互作用／チップ１５ａ及び表面Ｓ１による保持とは、片面溶接（片側からの溶接であり、電極が、電極チップ１５ａと反対側で部材１３に直接的に接触して反力をもたらすことがない）を可能とする。チップ１５ａは、ファスナ１０ａの弾性又はバネ荷重を介してファスナ１０ａによって握持されるように形成されてよい。これによって、ファスナ１０ａは、溶接の間、チップ１５ａ上に保持されるが、溶接が完了すると外れる。例えば、チップ１５は、周縁レッジ又は窪みを有しており、当該周縁レッジ又は窪みを、ファスナ１０ａの上側エッジ部が、弾性的且つ着脱自在に掴んでよい。
【0051】
ファスナ１０は、例えば、約１ｍｍから４ｍｍの厚さである薄いシート鋼から形成されてよいが、層１１、１３の厚さによって決定される特定の厚さに製造されてよい。層の厚さが大きいほど、より厚いファスナが必要となる。それとは別に、ファスナ１０のシャフト１４は、中実であっても半中実（semi-solid）であってもよい。ファスナの厚さ／空洞（与えられた表面積に対する密度）に関係なく、シャフト１４は、端部１６がシート１３に溶接すると潰れるように構成されて、キャップは、溶接が完了すると（ステージＥ）、シート１１の上面１１Ｓと接触するように、及び／又は任意の金属間化合物及び噴出領域１１Ｕを封鎖するようにされてよい。
【0052】
溶接ゾーンＰｅの最終寸法は、ファスナシャフト１４ｅの最初と最終の寸法、即ち、シャフト壁の直径、長さ、及び厚さによって決まるであろう。ファスナシャフト１４ｅの寸法が大きいほど、溶接ゾーンＰｅの寸法は大きい。一例において、厚さが０．５ｍｍから４．０ｍｍのアルミニウムで構成されるシート１１を、０．５ｍｍから３．０ｍｍの厚さの鋼で構成されるシート１３に取り付けると、溶接直径が２ｍｍから８ｍｍの範囲となり、有益な剪断及び剥離強度特性を示すであろう。
【0053】
本発明のファスナ１０を用いて製造される、完成した溶接製品の重量をできるだけ小さくするために、ファスナ１０を製造するために利用されるシートのゲージは、引き下げられてよい。その結果、ファスナシャフト１４の側壁強度が引き下げられると、それは、溶接プロセス中に早期に潰れることができる。シャフト１４を支持するために、電極１５ａは、空洞Ｈ中に延びて、空洞Ｈ内にてシャフト１４の内面と部分的に、又は完全に係合するように形成されてよい。図５は、溶接プロセスの２つのフェーズ、即ち、層１１を通って突き出る前のフェーズＢ５と、フェーズＥ５−溶接後とにおける代替的なファスナ１１０を示す。電極チップ１１５がファスナ１１０の端部１１６を支持する表面Ｓ２を有しているので、端部１１６は層１１に押し込まれるものの、端部１１６又はシャフト（側壁）１１４は変形しない。チップ１１５は、凹状環状面Ｓ３を有している。フェーズＥ５に示されるように、ファスナが層１１に完全に押し込まれて、溶接ゾーンＰｇが形成されると、ファスナ１１０が上昇部１１Ｕに対して押圧されるのに応じて、凹状環状面Ｓ３は、ファスナ周辺部１１０ｐの対応する領域を受け、且つ形成／成形することができる。
【0054】
図６は、より広範な順序の工程Ａ６〜工程Ｆ６を示しており、ファスナ１１０を用いて、上側層１１、例えばアルミニウムシートを通ってスポット溶接が実行されて、上側層１１が下側層１３、例えば鋼シートに固定される。理解されるように、このプロセスはまた、ファスナ１１０が層１１を通して押し込まれて、層１１に孔を空けて、溶接によって層１３に接合し、ファスナのキャップ１１２が、層１３に対して層１１をクランプ留めするリベットとして記載できるという点で、「抵抗スポット固定」又は「抵抗スポットリベット留め」と称される。ファスナ１１０は、最上層１１に貫入して、最下層１３と係合するので、電極チップ１１５の凹状環状面Ｓ３は、層１１、特に上昇部１１Ｕを封入し、シールする。一例においては、ステージＢ６及びステージＣ６では、関連する力ＦＨの大きさは、例えば６００から２０００ポンドであってよく、電流レベルＩＨの大きさは、例えば４，０００から２４，０００アンペアであってよい。これは、全径１６ｍｍ、総高３ｍｍ、及び平均壁厚１．０ｍｍである低炭素鋼のファスナを用いて、厚さが２ｍｍであるアルミニウムの第１の層１１を可塑化し、厚さが１．０ｍｍであって７８０ＭＰａ亜鉛メッキコーティングされた鋼である第２の層１３に溶接するのに適切である。これらの力及び電流の大きさは、単に例示であり、ファスナ１１０、層１１及び層１３の寸法及び組成に依存する。ステージＢ６からステージＣ６への移行の継続時間は、０．２から２．０秒程度であってよい。この例を更に進めて、同じ寸法及び特徴のファスナ１１０及び層１１、１３を用いると、ステージＤ６では、例えば５００から８００ポンドの大きさの関連する力ＦＷと、例えば６，０００から１８，０００アンペアの大きさの電流レベルＩＷとを使用してよい。これらは、ファスナ１１０及びより低い位置の層１３の溶融を開始させて、溶融した溶接ゾーンＰｄを形成するのに適切である。力ＦＷの大きさは、ステージＥ６にて、例えば６００から１，０００ポンドの大きさの力ＦＴに、の電流レベルＩは、例えば３，０００から１２，０００アンペアの大きさに変更してよく、溶接ゾーンを拡張して、溶接部を焼き戻し（temper）、平均断面径を４ｍｍから６ｍｍとすることができる。ステージＤ６の完了には、例えば、０．１から０．５秒掛かってよい。ステージＦ６にて、第１及び第２の電極チップ１１５、１１７は、引っ込められてよい。理解されるように、上昇部１１Ｕにより、キャップ１１２は表面Ｓ３に合致するようにされて、相互に密に適合するので、ステージＦ６でのファスナ１１０ｆからの第１のチップ１１５の引込みに対して幾らかの抵抗が存在する場合がある。一部の用途では、予め形成されたファスナを使用して、引込み力、サイクル時間を引き下げて、表面Ｓ３及び上昇部１１Ｕに合致するようにキャップ１１２を成形するのに必要な溶接力ＦＷの大きさを引き下げることも好ましいであろう。
【0055】
図７は、一連の工程Ａ７〜工程Ｆ７を示しており、ファスナ２１０を用いて、上側層１１、例えばアルミニウムシートを介するスポット溶接を実行し、上側層１１を下側層１３、例えば鋼シートに固定する。ファスナ２１０は、図６のステージＤ６及びステージＥ６に示されるような溶接力によって成形された後のファスナ１１０と類似する形状を有するように、予め形成されてよい。このように形成されると、上側の部分が、上面を封入且つシールすることができ、溶接プロセス中に電極によって成形される必要はなくなる。ファスナ２１０が予め成形されることで、電極チップ２１５は、ファスナ２１０によって貫入される場所に近接する第１層１１の上昇部１１Ｕに適合して、これをシールするようにキャップ２１２を成形するための凹状環状面Ｓ３を必要としない。結果として、電極チップ２１５は、テーパー状にされてよい（ファスナ２１０の端部２１６を支持する表面Ｓ２に向かう表面Ｓ４、Ｓ５にアールが形成されてよい）。これにより、加熱、溶接、及び焼戻し力ＦＨ、ＦＷ、ＦＴ、ならびに加熱、溶接、焼戻し電流ＩＨ、ＩＷ、ＩＴをより狭い領域にわたって集中させることで、力及び電流を引き下げて、貫入、溶接及び焼戻しの作業を達成することができる。
【0056】
図４〜図７は、直接アクセス溶接を示しており、抵抗溶接電極、例えば１５ａ、１７ａは、ワークピース／溶接スタック１０ａ、１１、１３を両側からクランプするものである。図８に示されるように、本発明に基づくファスナ１０、２０、１１０、２１０を用いるスポット溶接は、インダイレクト溶接（indirect welding）を用いて片側から実施できる。構造Ｓ８、例えば鋼梁又は他の任意のタイプの構造は、溶接を実施するための電位源の一方の極に接続されてよい。他方の極は、ステージＢ８及びステージＣ８にて加熱用の、ステージＤ８にて溶接用の、ステージＥ８にて焼戻し用の電力を溶接チップ２１５に供給する。インダイレクト溶接は一般的に鋼にてなされるが、アルミニウムにてアルミニウム接合を実施するのは困難である。本発明は、アルミニウム以外の材料で作られたファスナによる溶接を可能とすることから、アルミニウム層１１、例えばアルミニウムシートの、鋼構造Ｓ８、例えば鋼管への連結を容易にする。
【0057】
シリーズ溶接では、２つ又はより多くの電極が、片側からアプローチする。その場合、溶接電流が直列にされた複数のガンの間を流れるので、複数の溶接部が生じる。図９は、本発明の溶接プロセス及び装置が、シリーズ溶接ファスナ２１０ａ及び２１０ｂを実施する際に利用されて、単一の溶接操作で層／部材１１、１３が接合できることを示す。電流ＩＨは、電極２１５ｂ、層１１、１３を、導電性の裏当てバー（backer bar）Ｓ９を流れて、その後層１１、１３に戻って、電極２１５ａに向かう。前述のように、電流ＩＨは、層１１を加熱して、ファスナ２１０ａ、２１０ｂによる貫入が可能となり、ファスナが層１３と接触して溶接される。プロセス全体は、先に説明されたものと類似しているが、ステージＢ９、Ｄ９及びＦ９しか示していない。シリーズ溶接は通常、アルミニウムでは実施されず、一般的に、鋼材料を用いてなされる。本発明は、アルミニウム以外の材料で作られたファスナによる溶接を可能とするので、シリーズ溶接を用いた、アルミニウム層１１、例えばアルミニウムシートの、鋼層／シート１３又は構造、例えば鋼管又は箱構造への連結を容易にする。
【0058】
前述の例は、鋼で作られたファスナ１０、２０、１１０、２１０に言及しているが、ファスナ１０、２０、１１０、２１０は、任意の材料から作られてよく、第１の層１１及び続く（第２の）層１３は、組成及び数について異なってよい。層１１のような介在層に貫入するために、ファスナ１０乃至２１０は、加熱／貫入フェーズ、例えばＢ６、Ｃ６（図６）中に貫入される介在層１１よりも融点が高い材料で作られるべきであろう。溶接フェーズ、例えばＤ６を実施するためには、ファスナ１１０の材料は、抵抗溶接されることとなる層、例えば、層１３と適合性がなければならない。例えば、層１３が高い強度（＞５９０ＭＰａ）の亜鉛メッキ鋼で作られているならば、ファスナ１１０は、例えば、標準的な低炭素の鋼、高い強度の鋼（＞５９０ＭＰａ）、又はステンレス鋼種で作られてよい。
【0059】
図１０は、ファスナ２１０ｃが、対向するファスナ２１０ｄと共に用いられて、互いにスポット溶接することによって、例えばアルミニウム又はマグネシウムで作られた一対の層１１ａ，１１ｂを結合でき、キャップ２１２ｃ、２１２ｄが、それらの間に層１１ａ、１１ｂを捕らえることを示す。ステージＡ１０からステージＦ１０に示される手順は、先に記載された、例えば図４〜図７を参照して記載された手順と、電気抵抗が加熱、層への貫入、及び溶接に用いられるという点で似ているが、ファスナ２１０ｃ、２１０ｄは、溶接される層１３に達する代わりに、各々が介在層１１ａ、１１ｂに反対方向に貫入して直面し、互いに溶接する。
【0060】
図１１は、層の種々の組合せが、本発明の実施形態に従って接合できることを示す。組合せＧに示されるように、材料のスタックは、図７のステージＢ７にて示されており、先に記載されたスタックのようなアルミニウム１１Ａ及び鋼１３Ｓであってよい。先に記載されたように、ファスナ２１０は、アルミニウム層１１Ａに押し込まれて、鋼層１３Ｓに溶接されてよい。組合せＨは、２層のアルミニウム１１Ａ１及び１１Ａ２と、鋼層１３Ｓとのスタックを示す。前述のように、ファスナ２１０は、アルミニウム層１１Ａ１及び１１Ａ２に押し込まれてから、鋼層１３Ｓに溶接されてよい。組合せＩは、アルミニウム１１Ａの層及びマグネシウム１１Ｍの層と、鋼層１３Ｓとのスタックを示す。ファスナ２１０は、アルミニウム層１１Ａ及びマグネシウム層１１Ｍに押し込まれてから、鋼層１３Ｓに溶接されてよい。組合せＪは、外側層のマグネシウム１１Ｍ、中間層のアルミニウム１１Ａ、及び鋼層１３Ｓのスタックを示す。ファスナ２１０は、マグネシウム層１１Ｍ及びアルミニウム層１１Ａに押し込まれてから、鋼層１３Ｓに溶接されてよい。Ｇ、Ｈ、Ｉ、及びＪに示した各スタックにおいて、ファスナ２１０は、示された積層体構造を固定するのに用いられてよい。層の材料、厚さ、及び数のその他の組合せが、本発明のファスナ２１０、１１０、２０、１０によって固定できる。
【0061】
図１２は、溶接電極チップ２１５を示しており、コネクタスリーブ部２１５Ｓ及び溶接部２１５Ｗを備え、アールが形成された先細の表面Ｓ４及びＳ５を有する。このようなチップは、ＣＭＷ Ｃｏｎｔａｃｔｓ Ｍｅｔａｌ Ｗｅｌｄｉｎｇのｗｗｗ．ｃｍｗｉｎｃ．ｃｏｍから入手可能であり、Ｇキャップと呼ばれている。
【0062】
図１３ａ及び図１３ｂは、本発明に基づくファスナ３１０として機能するように転用されるキャップナットを示す。ファスナ３１０は、キャップ３１２、シャフト３１４、及び端部３１６を有する。嵌合いツール３１８と相互作用する突起３１８が、チップ１１５のような電極チップにファスナ３１０を保持するために用いられてよく、また、中間体層１１に押し込まれるときに、及び／又は層１３に溶接される場合に、ファスナを捻るために用いられてもよい。
【0063】
図１４ａ及び図１４ｂはそれぞれ、本発明の別の実施形態に基づくファスナ４１０の側面図及び平面図である。ファスナ４１０は、図１５に示される打抜き加工（stamping）ツール及びバックアップダイを用いて、打抜き加工で製造されてよい。キャップ４１２は、曲線Ｃ１にてシャフト４１４に移行し、シャフト４１４は曲線Ｃ２にて端部４１６に移行する。曲線Ｃ１は、ファスナ４１０の対称軸Ｓ回りに回転し、エッジ部４１２ｅ及びシャフト４１４上の突出部によって範囲を決められる場合に、例えば図５において１１Ｕとして示されるような、貫入された層の上昇部を閉じ込め、且つ封鎖し得る容量Ｖ１の境界を定める。
【0064】
図１５は、本発明の実施形態に基づくファスナ打抜き加工ツール５０５を示す。打抜き加工ツールは、ストック材料５２０、例えば鋼のシートから、ファスナ４１０のようなファスナを形成するのに用いられ得る。ファスナ打抜き加工ツール５０５は、アップセットダイ５２２を有し、これは形成面５２２Ｓを備えている（点線で示されている）。成形ツール５２４（点線で示す）は、パンチ５２６（シャフトが点線で示されている）によって駆動され、アップセットダイ５２２と連携して作用して、ストック５２０からファスナ４１０（図１４ａ、図１４ｂ）を形成する。示された実施形態において、成形ツール５２４は、ファスナ４１０をストック５２０からカットし、パンチ５２６によってストック５２０を通って下げられるように駆動して、ファスナ４１０を形成する。或いは、ファスナ４１０を形成するのに必要とされる寸法を有するディスク形状ブランク（不図示）が、別個のパンチによってストックからカットされて、ブランクホルダ５３０へとロードされて、その後、パンチ５２６がアップセットダイ５２２に対して下げられるように駆動されて、ブランクをファスナ４１０に成形してよい。バネ５３２がリテーナキャップ５３４とブランクホルダ５３０との間に挿入されてよく、ファスナ４１０がファスナ打抜き加工ツール５０５によって打ち抜かれた後に、パンチ５２６が中立位置に戻される。パンチ５２６は、パンチホルダ５２８に結合しており、パンチホルダ５２８は、パンチ及びプレスを作動させるための従来の方法で機械的に、油圧で、又は空圧で駆動されてよい。
【0065】
図１６は、溶接スタック６０５を示しており、ファスナ６１０は、貫入又は溶接の前に第１及び第２の層６１１、６１３に対して配置されている。第１の層６１１は、アルミニウム、マグネシウム、又は銅のシートであってよく、第２の層は、鋼、チタン、又はインコネルシートであってよい。層６１１、６１３及びファスナ６１０は、第１及び第２のチップ６１５、６１７の間にクランプ留めされており、それらチップは、市販の電気スポット溶接機械、例えばＣｅｎｔｅｒｌｉｎｅ Ｗｅｌｄｉｎｇ，Ｌｔｄ．から入手可能な２５０ｋＶＡ溶接ステーションの下側電極６４０及び上側電極６４２と電気的に連続している。
【0066】
本発明に従って実施される溶接操作の一例では、市販の２５０ｋＶＡ ＡＣ抵抗スポット溶接ペデスタル機械を使用して、ファスナ／リベットを加熱し、アルミニウムシートに通して押し込み、鋼裏当てシートに溶接した。上側電極チップ６１５は、Ｇキャップと呼ばれる市販の電極（図１２のチップ２１５に類似）であり、下側電極チップ６１７は、標準的な、平坦な面のもの（直径１６ｍｍ、ＲＷＭＡ型Ｃ−Ｎｏｓｅ）であった。図１３ａ及び図１３ｂに示される標準的なキャップナット６１０を、リベットに用いた。接合する部品は、１．５ｍｍの７０７５−Ｔ６アルミニウム合金と０．７ｍｍの２７０ＭＰａ亜鉛メッキ鋼であった。図１６に示すように、キャップナット６１０をＧキャップ電極６１５上に、その後、積み重ねたアルミニウムシート６１１に対して置いた。９，０００アンペアにて継続時間が約１．５秒の電流パルスを発生させて、キャップナット６１０をアルミニウムシート６１１に貫入させた。貫入後、キャップナット６１０を、０．１６６で約１５ｋＡの電流インパルスにより鋼に溶接した。直径がおよそ５ｍｍである溶接ボタン（weld button）が、鋼キャップナットと０．７ｍｍの２７０ＭＰａ鋼シートとの間に得られた。
【0067】
本発明の態様は、低部に歪みを含む。なぜならば、固定されることになる層、例えば１１、１３が、溶接中に加圧されて保持されて、熱の影響を受けるゾーンが主に、ファスナ１０のキャップ、例えばキャップ１２のフットプリント（footprint）に制限されるからである。ファスナ、例えばファスナ１０、２０、１１０、２１０、３１０、４１０、６１０は、第１の層１１を通るファスナの貫入によって置き換えられる金属間化合物又は材料をトラップするための体積を、第１の層１１に対して形成する。ファスナ、例えば１０乃至６１０は、広範な層厚と層数において様々な種類の材料の層を固定するために用いられてよい。これは、即ち、適切な寸法及び材料組成のファスナを選択することによってなされる。また、与えられるファスナ１０乃至６１０は、ファスナが形成される材料の弾性、及びファスナの形状に起因して、広範な厚さにわたって操作可能である。例えば、ファスナ４１０が、種々の厚さに適合するように、そして層１３に溶接されると層、例えば層１１を弾性的に押圧するように用いられる場合、キャップ４１２は、シャフト４１４に対して弾性的に曲がってよい。層、例えば層１１に対するキャップ４１２の弾性的な押圧は、それが適所にある場合、ファスナ１０乃至６１０の周辺の周りにおいてシールの確立及び維持に寄与し得る。
【0068】
本発明のファスナ１０乃至６１０は、層、例えば層１１、１３の間に塗布された接着剤及び／又は他のコーティングを通って、及び／又は最上層１１に塗布されたコーティングを通って適用されてよい。ファスナの使用によって形成される溶接部、例えば図４における溶接部Ｐｅは、層１３に貫入せず、溶接部と反対側の層１３の表面も乱さないので、外観、耐食性が保たれており、水密となっている。例えば図４のステージＣのようなファスナ貫入中、そして、ステージＤのような溶接フェーズ中にて、ファスナ１０ｃ、１０ｄ、１０ｅは連続的に潰れて、溶接ゾーンＰｄ、Ｐｅに沿って拡がって、溶接ゾーンから金属間化合物を押し出すこととなる。本発明の方法論及び装置は、鋼シート抵抗溶接のために開発された従来のＲＳＷ装置と適合性があり、ファスナ１０乃至６１０は、種々の材料、例えば種々の鋼種（低炭素の、高い強度の、非常に高い強度のステンレス）、チタン、アルミニウム、マグネシウム、及び銅から作られてよい。本発明のファスナは、場合によっては、耐食性を向上させるためにコーティング（亜鉛メッキ、ガルバニール処理（galvaneal）、溶融メッキ、アルミナ化）されてよい。
【0069】
先に述べられたように、本発明のファスナ１０乃至６１０は、片側アクセス溶接又は両側アクセス溶接で用いられ得る。ファスナ１０乃至６１０は、パイロットホールを必要としないが、アルミニウム又は上側シート中のパイロットホールと共に使用されてもよい。パイロットホールはまた、絶縁層、例えば接着層又は防食コーティング／層に電流を流すために用いられてよい。ファスナ１０乃至６１０を使用した結果の溶接品質は、溶接で残されたキャビティに適用される品質保証測定に従って、即ち、キャビティの寸法を測定することによって試験されてよい。超音波ＮＤＥ技術が、例えば層１３の裏面（鋼側面）に利用されて、溶接品質が監視されてよい。
【0070】
ＦＤＳ（ＥＪＯＴＳ）、ＳＰＲ、及びＳＦＪと比較して、本発明のファスナ１０乃至６１０を適用するために用いられる装置は、フットプリントがより小さいので、より隙間が小さい空間へのアクセスが可能となる。本発明の装置及び方法は、ＳＰＲと比較して、より小さい挿入力を用いている。なぜならば、第１の層１１が、ファスナ挿入フェーズ中にて加熱／軟化されるからである（例えば図４のステージＣ参照）。本発明の方法及び装置は、高い強度のアルミニウム（ＳＰＲ操作中、ヒビ割れに敏感である）を接合する能力、そして高い強度の鋼及び非常に高い強度の鋼を接合する能力を実現する。なぜならば、ファスナに鋼金属を貫通させる必要がなく、むしろファスナが鋼金属に溶接されるからである。
【0071】
本発明の装置及び方法は、回転部品を必要とせず、部品の取付け問題の解決に貢献する。なぜならば、プロセス全体が、構成要素の層／部品が如何に固定されるかに関して、従来の抵抗スポット溶接（ＲＳＷ）に類似しているからである。また、ファスナ１０乃至６１０の適用は、迅速に実施されて、従来のＲＳＷに類似する速いプロセシング速度が実現される。本発明の装置及び方法は、鍛造アルミニウム製品及び鋳造したアルミニウム製品の両方での使用に適用できて、アルミニウムを鋼に溶接する場合にて接合強度が低い虞がある二金属溶接（bimetallic weld）ではなく、適合性がある金属接合をもたらすのに用いられてよい。先に述べられたように、本発明の装置及び方法は、様々な材料の複数の層、例えばアルミニウムの２層、鋼の１層；アルミニウムの１層、鋼の２層；又はアルミニウムの１層、マグネシウムの１層、及び鋼の１層を連結するために用いられてよい。
【0073】
図１７ｂは、端部８１６が平坦であって、端部８１６の厚さがキャップ８１２のシャフト８１４よりも厚いファスナ８１０を示す。
【0074】
図１７ｃは、厚さが一定であって、アールが形成された端部９１６を有するファスナ９１０を示す。一例において、半径Ｒは、１から６インチの範囲にある。
【0075】
図１７ｄは、アールが形成された端部１０１６と、端部１０１６とシャフト１０１４の接合部にスプライン１０１４ｓとを有するファスナ１０１０を示す。スプライン１０１４ｓは、対称軸／回転軸Ｓと揃えられてよく、これに対して角度Ａで配置されてもよい。スプラインは、ファスナが層１１に押し込まれる場合に、ファスナを特定の方向に、例えば直線方向に又は螺旋方向に案内するために利用されてよく、及び／又は、設置されたファスナ１０１０に対する層１１の回転を防止する回転防止機構として用いられてよい。
【0077】
図２１は、断面図において、１２１２ｃにて一点に集まる左側部分１２１０ａ及び右側部分１２１０ｂを有するファスナ１２１０を示す。ファスナ１２１０は、左右対称線／回転線Ｓ回りに回転する回転体であり、端部１２１６ａ、１２１６ｂは、以下でさらに示されるように、基板に溶接され得る連続的な環状面を形成する。
【0078】
図２２は、ファスナ１２１０が、例えばアルミニウムで作られた第１の層１１を挿通し、溶接ゾーンＰａ、Ｐｂにて、例えば鋼で作られた層１３に溶接される模様を示しており、連続的な環形状が生じるであろう。環状の溶接部は、例えば、図１４ａに示される４１０のようなファスナを用いることによってもたらされるであろうディスク形状の溶接部よりも大きな表面領域にわたって分配されるであろう。チップ１２１５は、加熱されて、チップ１２１７に向けて押圧されるにつれ、ファスナ１２１０に適合してこれを支持する表面１２１５ｓを有する。
【0079】
図２３は、断面図において、第１の層１１を挿通して、溶接ゾーンＰａ、Ｐｂにて第２の層１３に溶接されるファスナ１３１０を示す。図２１に示したように、ファスナ１３１０は、左右対称線／回転線Ｓ回りに回転する回転体であり、溶接ゾーンＰａ及びＰｂは、層１３に対する連続的な環状溶接部の一部である。ファスナ１３１０は、ネジ切り中心ソケット１３４２を備えており、当該ソケットは、噛合いネジ付きファスナ、例えばボルト（不図示）を受けるのに適したネジ山１３４２ｔを有する。このように、ファスナ１３１０は、２つの機能を実行し得るネジ切りソケット、即ち、層１１から層１３を保持し、且つ、噛合いネジ付きファスナ（不図示）を介した別の部材又は構造（不図示）へのアセンブリを可能とするネジ切りソケットを提供するのである。チップ１３１５は、溶接中にソケット１３４２に適合する凹部１３１５ｒを有する。
【0080】
図２４及び図２５は、ファスナ１４１０を示している。ファスナ１４１０は、ファスナ１３１０に似ているが、ネジ山１４４２ｔを備えており、オープンエンドであるソケット部１４４２を有しており、噛合いネジ付きファスナ（不図示）がソケット部１４４２を通過することができる。図２５において示されるように、ファスナ１４１０の挿入に備えて、層１１及び層１３は、好ましくは削孔され、さもなければ、ソケット部１４４２が挿通できる合わせ孔１１ｈ、１３ｈが提供される。その後、層１１への貫入及び層１１への溶接が、先に説明されるように、抵抗溶接によって実行されてよい。チップ１４１５は、層１１に押し込まれて、層１３に溶接されると、ファスナ１４１０を支持する表面１４１５ｓを有する。チップ１４１７は、溶接プロセス中に層１１、１３を通って延びるソケット部１４４２に適合する凹部１４１７ｒを有する。
【0081】
図２６は、上側部１５１０ｕ及び下側部１５１０ｌを有するファスナ１５１０を示しており、上側部１５１０ｕ及び下側部１５１０ｌは、ファスナを、例えばアルミニウムの層１１に取り付けるために一緒に溶接されてよい。下側部１５１０ｌは、ネジ切りソケット１５１０ｔを備える。ファスナ１５１０は、鋼又はチタンで作られてよい。溶接プロセスは、第２の層１３への溶接がないだけで前述のように実施され、上側部１５１０ｕは、上側部がアルミニウム層１１に押し込まれた後に、下側部１５１０ｌに溶接される。前述のように、溶接ゾーンＰａ、Ｐｂは、環状の溶接部の一部である。なぜならば、ファスナ１５１０は回転体（solid of rotation）であるからである。層１１は、フランジ部分１５１０ｆとキャップ１５１２との間に捕らえられる。ファスナ１５１０は、第１の材料、例えば鋼又はチタンで作られたネジ切りソケット１５１０ｔが、異種金属、例えばアルミニウム又はマグネシウムの層１１に取り付けられるのを可能とする。
【0082】
図２７は、上側部１６１０ｕ及び下側部１６１０ｌを有するファスナ１６１０を示しており、上側部１６１０ｕ及び下側部１６１０ｌは、当該ファスナを、例えばアルミニウムの層１１に取り付けるために一緒に溶接されてよい。下側部１６１０ｌは、ネジ切りスタッド１６１０ｓを備える。ファスナ１６１０は、鋼又はチタンで作られてよい。溶接プロセスは、第２の層１３への溶接がないだけで、前述のように実施され、上側部１６１０ｕは、上側部がアルミニウム層１１に押し込まれた後に、下側部１６１０ｌに溶接される。溶接ゾーンＰａはほぼディスク形状であり、ファスナ１６１０は回転体である。層１１は、フランジ部分１６１０ｆとキャップ１６１２との間に捕らえられる。ファスナ１６１０は、第１の材料、例えば鋼又はチタンで作られたネジ切りスタッド１６１０ｓが、異種金属、例えばアルミニウム又はマグネシウムの層１１に取り付けられるのを可能とする。
【0083】
図２８及び図２９は、セルフシーリング（self-sealing）ファスナ１７１０を示しており、シーラント１７２８のビーズが、キャップ１７１２とシャフト１７１４の接合部の近傍の下側に着けられている。シーラントは、接着剤又はポリマーであってよく、液体、ゲル又はペーストとして塗布されてよく、固体又は半固体に硬化してもよいし、ファスナ１７１０を使用する前に、柔らかい状態又は液体状態のままであってよい。例えばファスナ２１０（図１０）について先に述べられたように、ファスナ１７１０が、ファスナ１７１０のベースシート１３又は別のファスナ１７１０への溶接によって、材料の層１１（アルミニウム）、層１３（鋼）を一緒に繋げるのに用いられる場合、シーラントは、状態の変化を受けてよい。例えば、固体であるならば、電気抵抗に起因して溶融することによる中間層１１に対するファスナ１７１０の挿通によって、又は溶接部１７１０Ｗを形成する溶融フェーズ中に発生する熱によって、溶融してよい。ファスナ１７１０及びファスナ１７１０が溶接した金属が冷却した後、シーラント１７２８は、最上層１１の表面に、そしてその中で任意の上昇部１１Ｕに合致した後、固体に戻り、これによって、シールされた接合部１７１０Ｊが提供されて、最上層１１とファスナ１７１０の間がシールされる。シーラント１７２８は、環境中に存在する要素、例えば酸素又は水分による浸透を防止する。このような浸透は、ファスナ１７１０、シート１１、１３、及び／又は溶接部１７１０Ｗの腐食の原因となる虞がある。或いは、シーラント１７２８は、溶接部１７１０Ｗが完成した後、半固体又はゲルのままであってもよい。シーラント１７２８は、以下のような幾つかの異なる方法で塗布されてよい：（ｉ）ファスナ製造の工程として、ファスナ１７１０へ塗布する；（ｉｉ）溶接接合を形成するのに用いる直前にファスナ１７１０へ塗布する；これは、例えば、ビーズ（圧力下のノズルによって放出される）、固体又は半固体の形態に予め形成された（そして、ファスナ１７１０上に置かれた）環、又はシーラントのバンド（切断可能なストリップの形態で提供されるか、接触アプリケータ（contact applicator）によって上にペイントされる、又は圧力下で上にスプレーされる）を、外側のシート１１に接触させる前に、ファスナ１７１０に塗布することによる。或いは、シーラント１７２８は、接合プロセスの前に、例えば、上面１１Ｓ（そこにファスナ１７１０は挿入されることとなる）の上に、又はシート１１のパイロットホールの周辺部の周りに置かれる接着ドットの形態で、シート１１の表面に付着されてよい。シーラント１７２８は、飲料缶端部ライニングプロセスに現在用いられている「コンパウンドライナ（compound liner）」装置を用いて、ファスナ１７１０に塗布されてよい。米国特許第６８８７０３０号明細書（この出願の全体が、引用によって本明細書に組み込まれる）に開示される技術は、シーラント１７２８塗布中のファスナ１７１０の回転を止めるために利用されてよく、ファスナ１７１０に付着したシーラント１７２８の保護コーティングへのダメージが軽減される。シーラント１７２８は、先に記載されたファスナ１０、１１０、２１０等、及び層１１、１３、１１Ｍ等の何れに使用されてもよい。図２９は、ファスナ１７１０が層１３に溶接された後のシーラント１７２８を示す。シーラント１７２８は、ファスナ１７１０の下側部１７１０Ｕとシート１１の上面１１Ｓとの間のキャビティを部分的に、又は完全に満たすことができる。シーラント１７２８は、防食をもたらし、ファスナ１７１０と上面１１Ｓの接合強度を高め、及び／又は水／水分が接合部Ｊに入るのを除外することができる。
【0084】
図３０及び図３１は、２層ファスナ１８１０の断面図を示しており、第１の層１８１０Ｓが、例えば鋼、チタン、銅又は第１のアルミニウム合金、例えば１ｘｘｘで作られており、第２の層１８１０Ａが、例えばアルミニウム又は異なるタイプのアルミニウム合金、例えば６ｘｘｘで作られている。ファスナ１８１０は、マルチ合金（６ｘｘｘ上に被覆した１ｘｘｘその他）又はマルチ材料（アルミニウムクラッド鋼、アルミニウムクラッド銅等）の２層シートから、例えば打ち抜かれて形成されてよい。図３１は、接合部１８１０Ｊの断面図を示しており、接合部１８１０Ｊは、２層ファスナ１８１０と、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金の第１のシート１１と、鋼、チタン、銅、マグネシウム又は層１１の合金とは異なる別の合金の第２のシート１３と形成されている。２層ファスナ１８１０は、層１８１０Ａをシート１１に溶接することによって、アルミニウム部材１１へ溶接される。この例では、アパーチャ１８１０Ｈがシート１３に形成されており、ファスナ１８１０がアパーチャ１８１０Ｈを、抵抗加熱によってメルトスルーするのではなく、挿入できるようにされている。このアプローチの一態様では、鋼シート又は部材１３の、アルミニウムシート又は部材１１、例えば管への接合が、片側から可能となる。２層ファスナ１８１０によって、溶接は、低い電流レベルを用いて起こる。なぜならば、電極ヘッド部１８１５と接触する、例えば鋼であってよい層１８１０Ｓが、溶接中に、層１８１０Ａ及びシート１１の加熱を高めるからである。第１のアプローチにおいては、層１８１０Ａは、鑞付け合金で作られてよく、又は鑞付け合金を含んでもよく、対向するシート１１への、抵抗溶接ではなく鑞付け接合が可能となる。これは、必要とされる溶接電流の量を引き下げるのに有益であろう。接合部１８１０Ｊは、アルミニウムシート１１にアルミニウム又はプラスチックシート１３を接合するのに用いられてよく、この場合、シート１３の溶融を防止するために低い熱入力が必要とされる。この実施形態の別の態様においては、アルミニウムクラッド鋼から形成されたファスナ１８１０が、複数のアルミニウムシートを接合するのに用いられてよい。ファスナ１８１０の鋼層１８１０Ｓが電極１８１５に接触すれば、アルミニウム側面１８１０Ａがアルミニウムシート１１（この実施形態では、シート１３もまたアルミニウムとなろう）に接触するであろう。溶接熱が加わるにつれ、鋼層１８１０Ｓは加熱を高めて、ファスナ１８１０のアルミニウム部分１８１０Ａは、低い電流で、アルミニウムシート１１、１３と溶接できるであろう。この実施形態の別の態様においては、層１８１０Ｓは、銅クラッドからアルミニウム部分１８１０Ａまで形成されてよい。銅部分１８１０Ｓが電極１８１５に接触すれば、アルミニウム部分１８１０Ａはアルミニウムシート１１、１３に接触して溶接するであろう。この実施形態において、ファスナ１８１０の銅部分１８１０Ｓは、良好な伝熱及び低い電極摩耗を示すであろう。
【0085】
図３２は、層１９１０Ｓ、１９１０Ｍ、及び１９１０Ａを有する３金属ファスナ１９１０を示している。中間層１９１０Ｍは、ファスナ１９１０が高温に曝された場合に外側層１９１０Ｓ、１９１０Ａ間で拡散を防止して、接合強度を与えるように選択されてよい。中間層１９１０Ｍは、限定されないが、高純度のアルミニウム、チタン、又は亜鉛を含む種々の材料で構成されてよい。一例において、外側層１９１０Ｓは鋼であり、根本の外側層１９１０Ａはアルミニウムである。中間層１９１０Ｍは、チタンの薄い層であるように選択されてよく、これは、アルミニウム層１９１０Ａ及び鋼層１９１０Ｓが高温（＞２００℃）で拡散するのを防止するであろう。
【0086】
図３３は、二層ファスナ２０１０を示しており、アルミニウムのディスク２０１０Ａが、打ち抜かれた／冷間形成された鋼部分２０１０Ｓに接合されている。アルミニウムディスク２０１０Ａは、限定されないが、冷間溶接、超音波、摩擦溶接、アップセット突合せ溶接、高圧溶接、機械、又は鑞付け／はんだ付けなどの多くの手段によって鋼部分２０１０Ｓに接合されてよい。随意選択的に、アルミニウムディスク２０１０Ａが鋼部分２０１０Ｓにワイヤの形態で接合（冷間溶接、加圧溶接）してから、鋼部分２０１０Ｓが、示される形状に成形されてよい。ファスナ２０１０は、図３１に示されるファスナ１８１０と同じ様式で用いられて、シート１３をシート１１に固定してよい。
【0087】
図３４は、図３３のファスナ２０１０と似ているが、付加的な層、例えば鋼で作られた層２１１０Ｓと、例えばアルミニウムで作られた２１１０Ａとの間に、例えばチタンで作られた２１１０Ｔが挿入されている３層ファスナ２１１０を示す。ファスナ２１１０は、図３１のファスナ１８１０及び図３３のファスナ２０１０と同様の方法で用いられてよいが、付加的な層２１１０Ｔは、層２１１０Ａと２１１０Ｓとの間で拡散を防止するのに用いられるので、図３２に示される中間層１９１０Ｍを有するファスナ１９１０と似たように、高温用途に有用である。
【0088】
図３５は、機械的にインターロックする部分２２１０Ａ、２２１０Ｓを有するファスナ２２１０を示す。機械的インターロックは、スエージング、鍛造、アップセッティング、又はベンディングによって達成されてよい。例えば、部分２２１０Ａには、周縁凹部２２１０ＡＲが形成されてよく、部分２２１０Ｓは、内側方向に延びる周縁リップ部２２１０ＳＬを有するように形成されてよい。部分２２１０Ａは、その場合、周縁凹部２２１０ＡＲと周縁リップ部２２１０ＳＬとがインターロックするように、部分２２１０Ｓに押し込まれてよい。これはまた、部分２２１０Ｓを潰して部分２２１０Ａの周りで圧縮して、インターロック関係を生じさせるような鍛造ダイによって達成されてもよい。第１の態様において、２２１０Ｓ及び２２１０Ａの材料は、様々なアルミニウム合金（１ｘｘｘ対６ｘｘｘ、４ｘｘｘ対６ｘｘｘ、４ｘｘｘ対Ａｌ−Ｌｉ）又は様々な材料（鋼及びアルミニウム、アルミニウム及びマグネシウム、アルミニウム及びチタンその他）であってよい。ファスナ２２１０は、電極チップ２２１５に対して配置されて示されており、図３１に示されるファスナ１８１０と同様に用いられてよい。
【0089】
図３６は、ファスナ２３１０を示しており、保護スリーブ２３１０Ｔが、ファスナ２３１０のキャップ２３１２及びステム２３１４に近接した部分２３１０Ｓの周りに配置されている。保護スリーブ２３１０Ｔは、ファスナ２３１０と貫入されるシートとの間に防食をもたらす。例えば、部分２３１０Ｓが鋼であり、図６及び図７に示されるように、抵抗加熱によってアルミニウムシート１１を通過して鋼シート１３に溶接される場合、コーティング２３１０Ｔは、チタン、ステンレス鋼、又はコールドスプレーされたアルミニウムであってよい。スリーブ２３１０Ｔは、図３７（スリーブ２４１０Ａを示す）に示されるように、部分２３１０Ｓに機械的にインターロックされてよく、コールドスプレーコーティング、プラズマスプレーコーティング等によって塗布されてよい。保護スリーブ２３１０Ｔは、金属で、或いは、熱伝導率又は導電率が低い材料、例えばセラミックスで作られてよい。この態様においては、（熱的な／電気的な）伝導性が低い材料は、ファスナ２３１０の端部２３１６を通る熱及び電流を集中させることとなり、層１３への溶接を達成するのに必要な電流を、保護スリーブ２３１０Ｔが存在しない場合よりも低くすることが可能となる。層１３に溶接して、例えばアルミニウムの層１１を鋼の層１３に固定すると（図６及び図７参照）、保護スリーブ２３１０は、これが通過するアルミニウム層１１から部分２３１０Ｓ（鋼で作られてよい）を孤立させるように機能するので、異種金属間の接触及びガルバニック効果による腐食を防止することができる。
【0090】
図３７は、図３６に記載したファスナ２３１０と似ており、保護スリーブ２４１０Ａが部分２４１０Ｓに配置されたファスナ２４１０を示す。保護スリーブ２４１０Ａは、リム２４１６Ｒによって、リム２４１６Ｒとキャップ部分２４１２の間にスリーブ２４１０Ａが捕らえられるようにファスナ２４１０に保持される。リム２４１６Ｒが予め形成されて、スリーブ２４１０Ａがリム２４１６Ｒ上に置かれてから、ダイによって加圧されてよく、スリーブ２４１０Ａがシャフト２４１４に被せられてから、リム２４１６Ｒが、例えばアップセッティング／鍛造によって形成されてもよい。ファスナ２３１０と同様に、ファスナ２４１０は、向上した耐食性及び伝熱を示し、同様の方法で、例えばアルミニウムの第１のシート又は部材１１を、例えば鋼の第２のシート又は部材１３に繋ぐのに用いられ得る（図６及び図７参照）。リム２４１６Ｒは、ファスナが中間体層１１に押し込まれる（図６及び図７参照）と、先導する要素となり、鋼から形成されてよい。故に、それは、スリーブ２４１０Ａに適合するほど十分に大きな、中間層１１を通るアパーチャを形成することとなる。スリーブそれ自体は、中間層１１中のアパーチャを形成する役割を果たす必要がないので、ファスナ２４１０が介在層１１に押し込まれる場合に、シャフト２４１４上での歪み又は弛みから保護される。
【0091】
図３８は、中実シャフト２５１４を有する「半中実（semi-solid）」ファスナ２５１０を示す。キャップ２５１２は、電極２５１５の電極拡張部２５１５Ｅが嵌められて収容される電極窪み部２５１２Ｄを有する。この配置は、電極２５１５の摩耗を軽減するのに用いられ得る。一例において、電極窪み部２５１２Ｄ及び電極拡張部２５１５Ｅの各々の直径は４〜８ｍｍに近く、深さは１から４ｍｍである。シャフト２５１４は中実なので、図１及び図２に示されるファスナ１０のシャフト１４のような薄い壁のシャフトほどは潰れ易くない。中間層１１（例えば、アルミニウムで作られる）に貫入して層１３（例えば、鋼で作られる）に達して溶接される場合（図６及び図７参照）、ファスナ２５１０のシャフト２５１４は、より短くなっており、潰れる必要がない。結果として、ファスナ２５１５はより迅速に層１３に達する。これにより、電流が電極２５１５及びファスナ２５１０中を流れる時間が低減して、電極のエロージョンが軽減され、プロセスの生産性が向上する。電極拡張部２５１５Ｅと電極窪み部２５１２Ｄとの接触領域は、平坦な接触面であるよりも電気接触面積を増大させ、電気抵抗を引き下げ、ファスナ２５１０の設置中にファスナ２５１０と電極２５１５との相対位置を保存する機械的結合をもたらす。
【0092】
図３９は、中実シャフト２６１４を備える「中実」ファスナ２６１０を示す。キャップ２６１２は、半径が例えば１から６インチと一定である上側電極受入れ面２６１２Ｓを有する。これによって、半径が同様なアールが形成された従来のスポット溶接電極２６１５が使用可能となる。この関係は、特別な電極設計及びドレッシング（dressing）装置の必要性を減らし、また電極の摩耗を軽減する。キャップ２６１２は、挿入プロセス中にシャフト２６１４が押し込まれるシート１１（図６及び図７参照）に向けて潰れるのを可能とするように構成されており、キャップ２６１２は、完全に挿入されると、シート１１に対して平らになる。小さなチップ要素２６１６Ｔが、ファスナ２６１０の端部２６１６から延びていてよい。これは、電流及び加熱を集中させて、貫通されることとなるシート１１の加熱／軟化の開始、及びシート１３への溶接の開始を助けるように用いられる。
【0093】
図４０は、ファスナ２６１０と似ているが、アールが形成された表面２７１２Ｓから上方に延びる電極アラインメント突出部２７１２Ｐを有する中実ファスナ２７１０を示す。突出部２７１２Ｐは、電極２７１５の嵌合凹部２７１５Ｒ内に受け入れられる。嵌合突出部２７１２Ｐ及び凹部２７１５Ｒは、（図６及び図７に示されるように、シート１１を通ってシート１３に溶接する）挿入プロセス及び溶接プロセス中にて、電極２７１５と揃えられたファスナ２７１０の維持を助ける。突出部２７１２Ｐの半径は、例えば３／１６”から１／４”であってよい。凹部２７１５Ｒは、独特の電極幾何形状を必要とするが、従来の電極ドレッシング装置と適合性がある。
【0094】
図４１は、接合部２８００Ｊを示しており、一対の対向ファスナ２８１０Ａ、２８１０Ｂがそれぞれ、例えば抵抗加熱及び圧力によって、層１１Ａ、層１１Ｂ（アルミニウムのシート等）を貫通して、例えば鋼から作られた中心層１３に溶接している。この構成を達成するために、ファスナ２８１０Ａ、２８１０Ｂは、アルミニウムシート１１Ａ、１１Ｂに（単一の操作で）同時に挿通されて、鋼層１３に溶接されてよい。これ以外に、ファスナ２８１０Ａ、２８１０Ｂは、逐次的に挿入且つ溶接されてもよい。
【0095】
図４２は、グリップ範囲が拡張したファスナ２９１０の断面図を示す。キャップ２９１２は、シャフト２９１４に匹敵する程度まで延びている。絶縁材料の環２９１２Ｉが、キャップ２９１２の末端部に取り付けられており、環２９１２Ｉの底端部が、端部２９１６とほぼ同延に（co-extensive）されている。使用時には、ファスナ２９１０は、例えばアルミニウムで作られたシート１１の表面上に置かれてから、例えば図６及び図７に関連して先に記載されたように抵抗溶接手段による電気抵抗によって加熱されて、シート１１に貫入して、例えば鋼で作られた下にあるシート１３に溶接されてよい。環２９１２Ｉは絶縁体であるので、電流は端部２９１６しか通過しない。端部２９１２がシート１１に押し込まれると、環２９１２Ｉはシート１１に当接し、端部２０１６はシート１１を通過する。結果として、キャップ２９１２は、端部２９１６がシート１３に達して溶接されるのに必要な程度に曲がる一方、環２９１２Ｉはシート１１に当接する。結果として、シャフト２９１４は、種々の厚さのシート１１に貫入することができ、（その環２９１２Ｉが）シート１１を依然として押圧することとなり、それをシート１３に接触するように付勢するであろう。
【0096】
図４３及び図４４は、例えば鋼で作られた第２のパネル１３に対して配置された、例えばアルミニウム合金で作られた第１のパネル１１を示す。第１のパネル１１は、折り曲げられてＪ字形状部１１Ｊが形成されており、これはパネル１３のエッジ部１３Ｅを囲む。パネル１１は、Ｊ字形状部１１Ｊに近接して、ファスナ３０１０によってパネル１３及びエッジ部１３Ｅに杭打ちされている（staked）。ファスナ３０１０は、ある厚さ１１Ｔのパネル１１を通過して３０１０Ｗにて鋼パネル１３に溶接されており、接合部３０００Ｊを形成する。示されたように、溶接部３０１０Ｗは、パネル１１の残部１１Ｒを邪魔しないので接合部３０００Ｊは、パネルの残部１１Ｒの滑らかな表面外観を必要とする、自動車ボディのような用途に適している。図４４Ａに示されるように、電極３０１５及び３０１７は、同じ方向からアプローチしてよく、電極３０１５はファスナ３０１０を押圧し、電極３０１７は鋼パネル１３と接触する。抵抗加熱がシート１１を軟化させるので、ファスナ３０１０はシート１１を押し込んでシート１３に溶接される。図４４Ｂに示されるように、複数のファスナ３０１０が用いられて、シート１３のエッジ部１３Ｅに沿って「ヘム」３０１０Ｈが形成されてよく、Ｊ字形状部１１Ｊはエッジ部１３Ｅの周りに巻きついている。ヘム加工された接合部３０１０Ｈは、シート１１、１３を一緒に保持するのを助ける接着剤を使用してよい。
【0097】
図４５は、ファスナ３１１０によって例えば鋼の層１３に繋がれた、例えばアルミニウムの一対のシート１１Ａ、１１Ｂを示す。ファスナ３１１０は、例えば電気抵抗加熱によって、アルミニウムシート１１Ａ、１１Ｂの双方に貫入してから、３１１０Ｗにて鋼シート１３に接触した後に溶接され、接合部３１００Ｊを形成している。接合部３１００Ｊにおいて、例えば、鋼であってよいファスナ３１１０から発せられた、貫入及び溶接に起因した熱は、ファスナ３１３０に隣接するアルミニウムシート１１Ａ及び１１Ｂを局所的に溶融させて、シート１１Ａと１１Ｂとの間に溶接部３１１０Ｗ２が生じる。溶接部３１１０Ｗ２は、ファスナ３１１０を部分的に又は完全に取り囲む。溶接部３１１０Ｗ２は、アルミニウムシート１１Ａ、１１Ｂを連結して、接合部３１００Ｊを強化する。アルミニウムシート１１Ａ、１１Ｂは、厚さが同一であっても異なってもよい。接着剤が、１つ又は全てのシートの界面間に存在してよい。
【0098】
図４６は、接合部３２００Ｊを示しており、接合部３２００Ｊは、例えば鋼で作られた２つの対向するファスナ３２１０Ａ、３２１０Ｂによって、例えばアルミニウムで作られた２つのシート１１Ａ、１１Ｂを繋ぐ。ファスナ３２１０Ａ、３２１０Ｂは、図１０に示される実施形態と同様な方法で、一対の対向する溶接電極を用いて、両側から同時に装着されてよい。ファスナ３２１０Ａ、３２１０Ｂは一緒に押されて、抵抗加熱によってアルミニウムシート１１Ａ、１１Ｂに貫入してから、互いに溶接されて、溶接部３２１０Ｗが形成される。図４５に示される実施形態に関して先に述べられたように、シート１１Ａ、１１Ｂを通過する際に、鋼ファスナ３２１０Ａ、３２１０Ｂは、これらに隣接するアルミニウムシート１１Ａ、１１Ｂを局所的に加熱して、溶接部３２１０Ｗ２が生じる。溶接部３２１０Ｗ２は、ファスナ３２１０Ａ、３２１０Ｂ間に溶接部３２１０Ｗを部分的又は完全に取り囲む。図４６は、等しい厚さのシート１１Ａ、１１Ｂを示しており、これは対称性を有する接合部３２００Ｊをもたらすが、以下に示されるように、プロセスは、異なるゲージのシート１１Ａ、１１Ｂに役立つこととなる。別の代替例においては、操作可能なリーチ（シャフト長さ）が異なる２つの異なるファスナ３２１０Ａ、３２１０Ｂが利用されてよく、長さがより長いものが、厚さがより厚いシートに当てられ、その逆の場合も同様である。
【0099】
図４７は、接合部３３００Ｊを示しており、接合部３３００Ｊは、例えば鋼で作られた２つの対向するファスナ３３１０Ａ、３３１０Ｂによって、例えばアルミニウムで作られた２つのシート１１Ａ、１１Ｂを繋ぐ。ファスナ３３１０Ａ、３３１０Ｂは、図１０に示される実施形態と同様な方法で、一対の対向する溶接電極を介して、両側から同時に装着される。ファスナ３３１０Ａ、３３１０Ｂは一緒に押されて、抵抗加熱によってアルミニウムシート１１Ａ、１１Ｂに貫入してから、互いに溶接されて、溶接部３３１０Ｗが形成される。図４５及び図４６に示される実施形態に関して先に述べられたように、シート１１Ａ、１１Ｂを通過する際に、鋼ファスナ３３１０Ａ、３３１０Ｂは、これらに隣接するアルミニウムシート１１Ａ、１１Ｂを局所的に加熱して、溶接部３３１０Ｗ２が生じる。溶接部３３１０Ｗ２は、ファスナ３３１０Ａ、３３１０Ｂ間に溶接部３３１０Ｗを部分的又は完全に取り囲む。図４７は、厚さが等しくないシート１１Ａ、１１Ｂを示しており、非対称な接合部３３００Ｊをもたらす。示されているように、ファスナ３３１０Ａ、３３１０Ｂは、操作可能なリーチ（シャフト長さ）が等しく、溶接部３３１０Ｗは、シート１１Ａ、１１Ｂ間の界面３３１１Ｉにはない。接合部３３００Ｊの態様は、接合部３３００Ｊを通る負荷経路（load path）が、（同じ軸上でなく）幾つかの方向に従うので、機械的性能が高まることとなる。先に述べられたように、接合部３３００Ｊは、例えば界面３３１１Ｉに塗布される接着剤が有っても無くても用いられてよい。アルミニウムシート１１Ａ、１１Ｂ間の溶接ゾーン３３１０Ｗ２は、溶接プロセス中に利用される溶接スケジュールを選択することによって、選択的により大きく又はより小さくされてよい。付加的な熱サイクルが追加されることで、アルミニウム溶接ゾーン３３１０Ｗ２を拡張して、接合部３３００Ｊの全体的な性能を向上させてよい。
【0100】
図４８は、接合部３４００Ｊを示しており、接合部３４００Ｊは、例えば鋼で作られた２つの対向するファスナ３４１０Ａ、３４１０Ｂによって、例えばアルミニウムで作られた３つのシート１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを繋ぐ。ファスナ３４１０Ａ、３４１０Ｂは、図１０に示される実施形態と同様な方法で、一対の対向する溶接電極を介して、両側から同時に装着されてよい。ファスナ３４１０Ａ、３４１０Ｂは一緒に押されて、抵抗加熱によってアルミニウムシート１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃに貫入してから、互いに溶接されて、溶接部３４１０Ｗが形成される。図４５〜図４７に示された実施形態に関して先に述べられたように、シート１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを通過する際に、鋼ファスナ３４１０Ａ、３４１０Ｂは、これらに隣接するアルミニウムシート１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを局所的に加熱して、ファスナ３４１０Ａ、３４１０Ｂ間に溶接部３４１０Ｗを部分的又は完全に取り囲む溶接部３４１０Ｗ２が生じる。図４８は、ほぼ等しい厚さのシート１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを示しており、対称性を有する接合部３４００Ｊをもたらす。示されているように、ファスナ３４１０Ａ、３４１０Ｂは、操作可能なリーチ（シャフト長さ）が等しいので、これらは、接合して溶接部３４１０Ｗを形成すると、シート１１Ｂの大体中央に位置し、溶接部３４１０Ｗはシート１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ間の界面３４１１Ｉ１、３４１１Ｉ２にないので、機械的性能が向上する。先に述べられたように、この接合部３４００Ｊは、例えば界面３４１１Ｉ１、３４１１Ｉ２に塗布される接着剤が有っても無くても用いられてよい。アルミニウムシート１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ間の溶接ゾーン３４１０Ｗ２は、溶接プロセス中に利用される溶接スケジュールを選択することによって、選択的により大きく、又はより小さくされてよい。付加的な熱サイクルが加えられて、アルミニウム溶接ゾーン３４１０Ｗ２を拡張して、接合３４００Ｊの全体的な性能を向上させてよい。シート１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃは、厚さ及び合金のタイプが同じであっても異なってもよい。ファスナ３４１０Ａ、３４１０Ｂは、アルミニウムシート１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃのスタックの中心において、又は接合性能を最大にして負荷経路を拡張することとなる別の位置にて接触するように設計されてよい。
【0101】
図４９は、接合部３５００Ｊをカットしてその断面を示す写真である。接合部３５００Ｊは、２つのアルミニウムシート１１Ａ、１１Ｂ（１．０ｍｍ Ｃ７１０−Ｔ４アルミニウム合金）を、ファスナ３５１０と鋼シート１３（０．９ｍｍ亜鉛メッキ鋼）との間で繋いでいる。ファスナ３５１０は、Ｇ１Ａリベットである。溶接ゾーン３５１０Ｗ２は、ファスナ３５１０に近接したシート１１Ａ、１１Ｂの融合を示す。溶接は、パイロットホールのないシート１１Ａ、１１Ｂで実施された。接合部３５００Ｊは、８ｋＡ＠４００ミリ秒の予熱に加えて１６ｋＡ＠１００ミリ秒の溶接パルス（８００ｌｂｓ）の溶接入熱で生じた。サンプルは、断面用にカットされている間に、幾分歪められた。
【0102】
図５０は、接合部３６００Ｊをカットしてその断面を示す写真である。接合部３６００Ｊは、２つのアルミニウムシート１１Ａ、１１Ｂ（１．６ｍｍ ７０７５−Ｔ６アルミニウム合金）を、２つのファスナ３６１０Ａ、３６１０Ｂの間で繋いでいる。ファスナ３６１０Ａ、３６１０Ｂは、Ｇ１Ａリベットである。溶接ゾーン３６１０Ｗ２は、ファスナ３６１０Ａ、３６１０Ｂに近接したシート１１Ａ、１１Ｂの融合を示す。溶接は、パイロットホールのないシート１１Ａ、１１Ｂで実施された。接合部３５００Ｊは、８ｋＡ＠４００ミリ秒の予熱に加えて１２ｋＡ＠３００ミリ秒の溶接パルス（８００ｌｂｓ）の溶接入熱で生じた。
【0103】
図５１は、標準的な幾何構造を有するチップ３７１５Ｔを備える電極３７１５を示す。電極チップ３７１５Ｔは、嵌合テーパー面３７１５ＴＳ１、３７１５ＴＳ２を介して、電極シャフト３７１５Ｓに挿入されて、その中に保持される。チップ３７１５Ｔは、半径Ｒが約８ｍｍであるリベット留め面３７１５ＲＳを有する。電極３７１５は、ファスナ３７１０と接触して示されており、ファスナ３７１０は、短い中実シャフト３７１４と、凹状面３７１２ＣＳを有する広いキャップ３７１２とを備える。凹状面３７１２ＣＳは、チップ３７１５Ｔのリベット留め面３７１ＲＳに近い曲率半径Ｒ１を有してよい。ファスナ３７１０は、例えばアルミニウムで作られたシート１１と例えば鋼で作られたシート１３のスタック上の適所に置かれる。「半中実」ファスナ３７１０は、標準的な電極半径に適合している。電極３７１５は、産業界で一般的に使用されており、優れた電極摩耗及びドレッシング能力を実現する。電極の向きが垂直からずれることが、特に大量生産の際に頻繁に生じる。アールが形成された接触面３７１２ＣＳにより、電極は、垂直に対する傾き角が少さくなり、依然としてファスナ３７１０を駆動且つ溶接するように機能し得る。非常に厚い貫入が要求される場合（４ｍｍ以上）、ファスナ３７１０のシャフト３７１４は、例えば、図１〜図１１に示された他のファスナ設計と比較して、非常に厚くなるであろう。図１〜図１１では、電極、例えば電極１５、１１５、２１５は、比較的深くファスナ、例えばファスナ１０、１１０、２１０中に貫入している。ファスナ３７１０は、キャリアウェブ、テープ又は幾つかの他の手段を介して、溶接電極３７１５に供給されて、適所に保持されて、電極と接触する。電極は、接合されることとなるワークピースに対してそれを押圧する。
【0104】
図５２は、「とっくり鼻」幾何構造を有する電極チップ３８１５Ｔを示す。図５１に示すように、電極チップ３８１５Ｔは、３７１５Ｓのような電極シャフト中に挿入されて、その中に保持されるであろう。チップ３８１５Ｔは、半径Ｒが約４ｍｍであるリベット留め面３８１５ＲＳを有する。電極チップ３８１５Ｔは、ファスナ３８１０と接触して示されており、ファスナ３８１０は、短い中実シャフト３８１４を備えており、例えば長さが１．５ｍｍを超える。ファスナ３８１０は、凹状面３８１２ＣＳを有する広いキャップ３８１２を有する。凹状面３８１２ＣＳは、チップ３８１５Ｔのリベット留め面３８１５ＲＳの曲率半径に近い曲率半径を有してよい。ファスナの高さは、全体として約４〜５ｍｍである。ファスナ３８１０は、例えばアルミニウムで作られたシート１１上、及び例えば鋼で作られるシート１３上に配置される。「半中実」ファスナ３８１０は、「とっくり鼻」チップ３８１５Ｔに適合する。先に述べられたように、垂直からの電極の向きがずれることは頻繁に生じ、アールが形成された接触面３８１２ＣＳにより、電極は、垂直に対する傾き角が少なくなり、依然としてファスナ３８１０を駆動且つ溶接するように機能し得る。表面３８１５ＲＳの半径が小さいほど、溶接電極からの角オフセットにて機能するフレキシビリティが大きくなり、ファスナ３８１０の内側に電極が深く貫入するほど、シート対シート（sheet-to-sheet）スポット溶接とより似てくる。加えて、このタイプのチップ幾何構造は、より広い範囲のファスナシャフト長とうまく協働するだろう。なぜならば、厚さが４ｍｍ以上のシート１１、１３を溶接する場合に、非常に厚いベースが必要とされないからである。電極チップ３８１５Ｔのより小さな半径の「鼻」は、接触面３８１２ＣＳの半径に密接にマッチする表面３８１５ＲＳを有するであろう。表面３８１５ＲＳから、電極チップ３８１５Ｔの外壁３８１５ＯＷへの移行は、以下に述べるような種々の形状を用いてなされてよい：より大きな半径、ある角度をなす真っ直ぐな壁、又は図５２〜図５５に示された二重の湾曲部（図５２が二重の湾曲部を示す）。電極チップ３８１５Ｔは、図５１に示される標準的な電極の利点、例えば優れた電極摩耗及び電極ドレッシングを保持する。
【0105】
図５３は、チップ３８１５Ｔのとっくり鼻形状が、種々のファスナ、例えば３９１０、及びスタックの厚さに適合して、同じ電極ツーリングによって広範囲のスタック厚を処理できる電極チップ３８１５Ｔとされる模様を示す。
【0106】
図５４は、電極摩耗を軽減できるとっくり鼻電極チップ４０１５Ｔの別のタイプを示す。リベット留め面４０１５ＲＳの半径Ｒは、図５２及び図５３に示される半径よりも小さく、即ち、３ｍｍ対４ｍｍである。一般に、リベット留め面４０１５ＲＳの半径は、２ｍｍよりも大きいが、８ｍｍよりも小さくなるべきであり、好ましくは３〜６ｍｍである。図５４において、ファスナ接触面４０１０ＣＳの半径は４ｍｍであり、リベット留め面４０１５ＲＳよりも僅かに大きい。リベット留め面４０１５ＲＳは、外壁４０１５ＯＷに対して例えば４５度の角度で配置される真っ直ぐな壁４０１５ＴＷを介して、外壁４０１５ＯＷに移行する。電極チップ４０１５Ｔは、ファスナ４０１０に対する電極チップ４０１５Ｔの向き及び位置の角度及びｘ、ｙオフセットにも拘らず、操作性を示す。一部の用途において、接触面４０１０ＣＳの半径は、リベット留め面４０１５ＲＳの半径よりも僅かに大きいことが好ましく、一実施形態において、接触面４０１０ＣＳは、３から１２ｍｍ又は４から８ｍｍであってよい。
【0107】
図５５は、電極摩耗を軽減し得る電極チップ４１１５Ｔを示す。リベット留め面４１１５ＲＳの半径Ｒは、３から８ｍｍであってよい。リベット留め面４１１５ＲＳは、半径が大きい、例えば５０から１５０ｍｍの湾曲壁４１１５ＴＷを介して、外壁４１１５ＯＷに移行する。この幾何形状は、伝熱及び冷却の向上を実現する。
【0108】
図５６は、図５４に関して先に記載されたとっくり鼻電極チップ４０１５Ｔを示しており、向きが、ファスナ４０１０と揃えられておらず、例えば、角オフセットαは、シート１１、１３に対して直角をなす向きから最大３０度である。とっくり鼻チップ４０１５Ｔは、最大で３０度又はそれを超える角度のミスアラインメントに適応して、実行可能な電気機械的接触を今まで通りもたらすであろう。ファスナ４０１０の半径Ｒが僅かにより大きいと、電極チップ４０１５Ｔを備えるスポット溶接装置が、シート１１を通してファスナ４０１０を押し出す能力を高めることとなり、それ以外の場合には、理想的な生産取付けからの変動に適応することとなる。角度のミスアラインメントに適応する能力は、大きく平坦な向き合った電極を典型的み利用する突出型溶接プロセスにとって目新しく、現在開示している技術が従来の電気抵抗溶接から顕著に更に逸脱していることを示す。
【0109】
図５７は、コンポジットファスナ４２５０、４２６０、及び４２７０を示しており、それぞれ、複数の構成要素４２５０Ａ、４２５０Ｂ、４２６０Ａ、４２６０Ｂ、及び４２７０Ａ、４２７０Ｂを有する。示されているように、構成要素４２５０Ａ、４２６０Ａ、及び４２７０Ａは、先に開示されたファスナ１０、１１０、２１０、３１０その他のいずれかのようなファスナであってよい。構成要素４２５０Ｂ、４２６０Ｂ、及び４２７０Ｂは、ファスナ構成要素４２５０Ａ、４２６０Ａ、及び４２７０Ａに圧入される、又はこれらに接着されるシート材料の形態であってよい。シート部材４２５０Ｂ、４２６０Ｂ、及び４２７０Ｂは、以下に挙げられる材料で構成されてよい：ポリマー、樹脂、接着剤（上記のａ及びｂ）又は金属（ａ、ｂ、及びｃ）。シート部材４２５０Ｂ、４２６０Ｂ、及び４２７０Ｂは、より大きなウェブと一体化され、ウェブから分離可能であってよい。当該ウェブは、先に記載された電気抵抗加熱及び溶接を介して、ファスナ４２５０、４２６０などを適用するプロセス中にて、例えば図４から図７のシート１１、１３のような固定されることとなる材料に対してファスナ４２５０などを位置決めする運搬又は保持機構として役立つ。構成要素４２５０Ｂ、４２６０Ｂ、４２７０Ｂは、ファスナ４２５０Ａ、４２６０Ａ、４２７０Ａによって形成される接合部に捕らえられたままであるように選択されてよい。例えば、シート部材４２５０Ｂ、４２６０Ｂ、及び４２７０Ｂは、ファスナによって形成される接合部を腐食からシールし、保護するプラスチック／ポリマーシーラントであってよい。
【0110】
シート部材４２５０Ｂ、４２６０Ｂ及び４２７０Ｂが金属であり、そして、より大きな構造、例えば運搬／位置決め機構として利用されるテープ又はウェブと一体化される場合、テープ又はウェブへの取付けは、ミシン目のある（perforated）、さもなければ壊れやすい接続を用いてよい。これにより、関連するファスナ４２５０Ａ、４２６０Ａ、４２７０Ａが用いられる時に、シート部材４２５０Ｂ、４２６０Ｂ、及び４２７０Ｂは、より大きな構造から外れることができる。シート部材４２５０Ｂ、４２６０Ｂ、及び４２７０Ｂは、種々の材料、例えばステンレス鋼、アルミニウム鑞付け合金、高純度アルミニウムなど作られてよく、ファスナ４２５０Ａ、４２６０Ａ、４２７０Ａと、ファスナ４２５０Ａ、４２６０Ａ、４２７０Ａが接触し得る全表面、例えばシート１１、１３との間で、ガルバニック腐食電位を引き下げ、及び／又は接合結合を拡張できる。鑞付け合金は、利用される場合、予め液状にされて（prefluxed）、接触面に沿う濡れ性及び結合性能の向上をもたらし得る。シート部材４２５０Ｂ、４２６０Ｂ、及び４２７０Ｂは、対応するファスナ４２５０Ａ、４２６０Ａ、４２７０Ａを機械的に（例えば、締り嵌め、又は他の手段、例えば表面引力を介した接着又は接着剤の使用）伴ってよい。シート部材４２５０Ｂ、４２６０Ｂ、及び４２７０Ｂの組成及び機能は、図３６及び図３７のスリーブ２３１０Ｔ及び／又は２４１０Ａと類似し又は同じであってよい。ファスナ４２５０Ａ、４２６０Ａ及び４２７０Ａとシート部材４２５０Ｂ、４２６０Ｂ及び４２７０Ｂは、固定動作を実行する前に組み合わせられてよく、ファスナ４２５０Ａ、４２６０Ａ及び４２７０Ａとシート部材４２５０Ｂ、４２６０Ｂ及び４２７０Ｂの異なる組合せが、固定作業の要求及び目的に基づいて選択されてよい。
【0111】
図５８は、溶接電極のチップ４３１５Ｔと、本発明の実施形態に基づくファスナ４３１０との抵抗溶接によって一緒に固定されるワークピース、例えばシート１１、１３との間にファスナ４３１０を装填するためのフィーディング機構４３８０及び媒体４３８２を示す。ファスナ４３１０は、媒体４３８２によって搭載されて運ばれ、これは、フィーディング機構４３８０の左側Ｌ及び右側Ｒ上のコイル間を走るベルト又はテープの形態であってよい。媒体は、ガイドロール、又は別の形態のガイド、例えば、フレーム４３８０Ｆを通るシュート（chute）又はガイド面４３８０Ｓ１、４３８０Ｓ２によって案内されてよく、媒体によって運ばれるファスナ４３１０は、電極チップ４３１５Ｔとシート１１との間に周期的に現れる。電極チップは、周期的に上下移動して、本発明において先に記載された貫入／溶接操作を、電気抵抗加熱及び溶接によって実行する。フィーディング機構４３８０もまた、シート１１に対して上下移動してよい。媒体４３８２は、ファスナ４３１０がシート１１、１３に適用されると、部分的に又は完全に消費されてよい。或いは、媒体４３８２の残りの部分４３８２Ｒは当てられたファスナ４３１０を超えて通過して、巻上げロール又は他の巻取り機構によって巻き取られて、処分又は転用されてよい。図５７に関して先に記載されたように、媒体４３８２は、ファスナ４３１０によって形成される接合部に有益な属性を提供するように選択されてよく、例えば、媒体４３８２は、シーラント、腐食軽減フィルム、接着剤又は鑞付け媒体であってよい。ファスナ４３１０を受け入れる開口４３８２Ｏを備える２つの形態の媒体４３８２Ａ及び４３８２Ｂがある。
【0112】
本発明のファスナ１０、１１０、２１０等及び固定方法の態様として、以下が挙げられる。ファスナを適用するプロセスは、下側部の歪みを伴う。なぜならば、材料層、例えば１１、１３、及びファスナ１０、１１０等は、溶接中に加圧保持され、熱影響ゾーンは、キャップ、例えばキャップ１２の下方で捕らわれるからである。キャップ１２は、予め形成された凹部を有してよく、又は、折り曲げて凹部が形成されてよく、溶接動作によって置き換えられた溶融金属、金属間化合物等に適合して、これをトラップする。所与のファスナ、例えばファスナ１０、１１０等は、貫入及び溶接フェーズ中に変形、例えば溶融して潰れるので、ある範囲の厚さのシート、例えばシート１１、１３を取り扱って、固定することができる。ファスナの貫入及び溶接中、ファスナ１０、１１０等が溶接ゾーンに沿って潰れて拡張するにつれ、金属間化合物は溶接ゾーンからずれる。ファスナ１０、１１０等（即ち、そのキャップ１２）は、上側シート、例えば上側シート１１に当たって、電極１５、１１５、２１５等の影響を受けて潰れる場合、キャップ１２が上側シート１１をシールして、停止することとなる。ファスナ１０、１１０等は、シート１１、１３間に付着した接着剤を通って適用されてよい。ファスナ１０、１１０、２１０等は第２のシート１３の一側面に溶接又は鑞付けされるので、シート１３の反対側は貫通されず、防水されたままである。本発明の溶接プロセスは、例えば、自動車製造において用いられており、鋼シート抵抗溶接のために開発された従来のＲＳＷ装置と適合性がある。
【0113】
ファスナ１０、１１０、２１０等は、種々の材料、例えば異なる鋼種（低炭素の、高い強度の、非常に高い強度の、ステンレス）、チタン、アルミニウム、マグネシウム、及び銅で作られてよく、そして、耐食性を向上させるためにコーティング（亜鉛メッキ、ガルバニール、溶融メッキ、アルミナ化）されてよい。ファスナ１０、１１０、２１０等は、片側又は両側アクセスの溶接技術を用いて適用されてよい。あるアプローチにおいては、パイロットホールは用いられず、ファスナは、抵抗加熱によって軟化される第１の層１１を貫通する。別のアプローチにおいては、パイロットホールが上側シート１１中に提供されてよく、上側シート１１は、アルミニウム、プラスチックであってよいし、アルミニウムシャフト端部１６を有するファスナの例において、第１のシートは、鋼、チタン、又は銅であり、第２のシートがアルミニウムであってよい。ファスナが第１のシート中のパイロットホールを挿通する例において、第１のシートは、導電性である必要はなく、第２のシートよりも溶融温度が低い必要もない（ファスナは、電気抵抗加熱によって第１のシートに貫入しないからである）。品質保証測定が、ファスナを第２のシートに固定している溶接部の破壊的な分解から残されたキャビティに実施されて、例えば、溶接部の寸法、例えば深さ、容量等が検査されてよい。超音波ＮＤＥ技術が、ファスナが溶接されているシートの反対側に用いられて、溶接部の品質が監視されてよい。
【0114】
本発明のファスナ１０、１１０、２１０等を適用するのに用いられる装置は、フットプリントがＦＤＳ（ＥＪＯＴＳ）、ＳＰＲ、及びＳＦＪよりもかなり小さく、より隙間が小さい空間へのアクセスが可能となる。本発明のファスナを駆動するのに用いられる挿入力は、ＳＰＲで用いられる挿入力と比較して、低い。なぜならば、アルミニウムシート１１は、加熱される又は孔があると、ファスナ挿入が容易となり、ＳＰＲ操作中のヒビ割れに敏感である高強度アルミニウムを接合する能力が高まるからである。本発明のアプローチはまた、高い強度の鋼及び極めて高い強度の鋼への接合を容易にする。なぜならば、ファスナが鋼金属を貫通する必要がなく、その代わりとして、ファスナがシート金属に溶接されるからである。本発明の方法は、ファスナ又はワークピースの回転を必要とせず、部品の取付けが容易となる。なぜならば、プロセスは、接合される部品が固定される手法に関して、従来のＲＳＷと類似するからである。ファスナ１０、１１０は、従来のＲＳＷに近い処理速度で適用可能であり、プロセスは、鍛錬したアルミニウム及び鋳造したアルミニウムの双方に用いられ得る。アルミニウムの鋼への溶接が回避されるので、二金属溶接部に付随する低接合強度もまた回避される。本発明のプロセスは、アルミニウム及び鋼ならびに他の金属の複数のシート、例えば、アルミニウムの２層及び鋼の１層；アルミニウムの１層及び鋼の２層；又はアルミニウムの１層、マグネシウムの１層及び鋼の１層を固定可能とする。
【0115】
ファスナ１０、１１０、２１０等を適用する間に、ファスナによって貫入される第１のシート１１又はシート１１Ａ、１１Ｂも溶融して一緒に溶接されて、溶接ゾーン及び全体的な接合強度が増大してよい。ファスナは、適合性があるシート１３への溶接のために、種々の材料から作られ、多層とされることで、ファスナは、溶接と腐食の回避に適した組合せである機械的性質及びガルバニック性質を有してよい。例えば、ファスナは、アルミニウムであって、アルミニウムの第２のシート１３に溶接するのに適合性がある端部を有するように製造されてよいが、機械的性質を向上させるために、鋼、チタン又は銅の層を有してよい。多層ファスナが、高温用途において有用であり、材料の１又は複数の層を含んでおり、マルチ材料界面にわたる拡散を防止してよい。
【0116】
フィルム、接着剤、又はコーティングが、ファスナに付着されてよく、ファスナと第１のシート１１の間に導入されて、シート１１に対するキャップ１２のシーリングを向上させることができる。本発明のプロセスは、シャフトの端部に向けて捲れ上がるレトログラード（retrograde）キャップ（キャップ／シート１１の界面の通電を回避するために絶縁体でコーティングされてよい）を組み込むことによって、広範囲の厚さのシートを接合するのに用いられてよい。キャップは、加熱貫入フェーズ中に、様々な厚さのスタックに適合するように曲がる。本発明は、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、銅、及びチタンのような種々の材料で作られるファスナを意図している。ファスナは、２つ以上の異なるタイプのアルミニウムで作られてよく、抵抗溶接及びより低い熱プロセス、例えば抵抗鑞付け又ははんだ付けが可能となる。本発明のファスナ及び方法で作られた接合部は、溶接プロセス中に部品が加圧保持されるために、疲労性能の向上を示す。
【0117】
本明細書中に記載される実施形態は、単なる例示であって、当業者によって、特許請求の範囲に記載の主題の精神及び範囲から逸脱することなく多くの変形及び変更がなされてよいことが理解されよう。そのような全ての変形及び変更は、特許請求の範囲に含まれることが意図される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図14A】
【図14B】
【図15】
【図16】
【図17A】
【図17B】
【図17C】
【図17D】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
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【図33】
【図34】
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【図39】
【図40】
【図41】
【図42】
【図43】
【図44A】
【図44B】
【図45】
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【図48】
【図49】
【図50】
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