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特許6646679同種材料及び異種材料を接合するための抵抗溶接ファスナ、装置及び方法
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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】6646679
(24)【登録日】2020年1月15日
(45)【発行日】2020年2月14日
(54)【発明の名称】同種材料及び異種材料を接合するための抵抗溶接ファスナ、装置及び方法
(51)【国際特許分類】
B23K 11/11 20060101AFI20200203BHJP
B23K 11/20 20060101ALI20200203BHJP
【ＦＩ】
B23K11/11 540
B23K11/20
【請求項の数】21
【全頁数】60
(21)【出願番号】特願2017-550096(P2017-550096)
(86)(22)【出願日】2015年12月14日
(65)【公表番号】特表2018-500184(P2018-500184A)
(43)【公表日】2018年1月11日
(86)【国際出願番号】US2015065491
(87)【国際公開番号】WO2016100179
(87)【国際公開日】20160623
【審査請求日】2017年8月9日
(31)【優先権主張番号】62/091,980
(32)【優先日】2014年12月15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】
奥隅 隆
(56)【参考文献】
【文献】
特開平０７−２１４３３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開昭５１−０５０８４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
独国特許出願公開第１０２０１２０１０８７０（ＤＥ，Ａ１）
【文献】
独国特許出願公開第１０２００７０３６４１６（ＤＥ，Ａ１）
【文献】
独国特許出願公開第１０２００４０２５４９３（ＤＥ，Ａ１）
【文献】
特開平０９−１７４２４９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｂ２３Ｋ １１／００−１１／３６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の導電層を第２の導電層に電気抵抗溶接を用いて固定する方法であって、
第１の層と第２の層を物理的且つ電気的に接触させて配置する工程と、
キャップと、当該キャップに対して遠位にある端部を有するシャフトとを有しており、第１の層及び第２の層よりも高い融点を有する導電性ファスナを、第１の層と物理的及び電気的に接触させて配置して、ファスナ、第１の層及び第２の層を含む導電性スタックを形成する工程と、
スタックに渡って電位を印加して、スタックに電流を流して抵抗加熱を生じさせて、抵抗加熱が第１の層の軟化を引き起こす工程と、
軟化した第１の層へとファスナを第２の層に向けて押して、ファスナのシャフトの端部を超えて延びており、第２の層の少なくとも一部分を含む溶融溶接ゾーンを第１の層に形成する工程と、
溶接ゾーンを冷却及び凝固させて、第１の層と第２の層を接合する工程と、
を含む方法。
第１の層と第２の層を物理的且つ電気的に接触させて配置する工程と、
キャップと、当該キャップに対して遠位にある端部を有するシャフトとを有しており、第１の層及び第２の層よりも高い融点を有する導電性ファスナを、第１の層と物理的及び電気的に接触させて配置して、ファスナ、第１の層及び第２の層を含む導電性スタックを形成する工程と、
スタックに渡って電位を印加して、スタックに電流を流して抵抗加熱を生じさせて、抵抗加熱が第１の層の軟化を引き起こす工程と、
軟化した第１の層へとファスナを第２の層に向けて押して、ファスナのシャフトの端部を超えて延びており、第２の層の少なくとも一部分を含む溶融溶接ゾーンを第１の層に形成する工程と、
溶接ゾーンを冷却及び凝固させて、第１の層と第２の層を接合する工程と、
を含む方法。
【請求項2】
ファスナは、溶接ゾーンを冷却及び凝固させた後、溶接ゾーンに保持される、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
シャフトは、キャップとシャフトの端部との間でシャフトの周面から延びる突出部を有しており、当該突出部は、押して冷却する工程の後、溶接ゾーンへ延びており、冷却する工程の後、溶接ゾーンから引き離される際のファスナの抵抗を増加させる、請求項２に記載の方法。
【請求項4】
シャフトは、キャップとシャフトの端部との間でシャフトの周面に延びる窪みを有しており、当該窪みは、押して冷却する工程の間に溶接ゾーンの溶融金属をそこに延在させることを可能にし、ファスナが溶接ゾーンから引き離される際のファスナの抵抗を増加させる、請求項２に記載の方法。
【請求項5】
ファスナのキャップは、押す工程中に、第１の層から持ち上げられた材料を受け入れることができ、下方に垂れ下がって、反転して湾曲したリップを有しており、当該持ち上げられた材料は、反転して湾曲したリップの周囲に流れて、冷却する工程の間にリップとかみ合って、キャップとリップの間に機械的接続を提供する、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
キャップは、押す工程中に溶接ゾーンから押し出された材料を受け入れることができる、請求項５に記載の方法。
【請求項7】
第１の層及び第２の層は、アルミニウム、マグネシウム、銅又はそれらの合金の少なくとも１つから形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
第１の層及び第２の層はアルミニウム合金から形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項9】
ファスナは、鋼又はチタン合金の少なくとも１つから作られる、請求項１に記載の方法。
【請求項10】
ファスナは、アルミニウム合金から作られる、請求項１に記載の方法。
【請求項11】
第３の層の鋼合金が、配置する工程中に第１の層の遠位にて第２の層と接触して配置され、ファスナは、押す工程の間、第１の層及び第２の層を通って押されて、ファスナを第３の層に溶接する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項12】
第１の層の遠位にて第２の層と電気的に接触する非鉄合金の少なくとも１つの追加の層を配置する工程を含んでおり、溶接ゾーンは、その追加の層を第１の層及び第２の層に接合するために、押して冷却する工程中に追加の層内に延びる、請求項１に記載の方法。
【請求項13】
層は、シート状の金属である、請求項１に記載の方法。
【請求項14】
第２の層は、構造部材の一部である、請求項１に記載の方法。
【請求項15】
印加する工程と押す工程の前に、スタックに第１のファスナと対向する第２のファスナを配置する工程を更に含んでおり、第１のファスナと第２のファスナの中間で少なくとも１つの溶接ゾーンがスタックに形成され、印加する工程中に第２のファスナが軟化した第２の層に押し込まれる、請求項１に記載の方法。
【請求項16】
溶接ゾーンは、第１の層と第２の層を通って第１のファスナと第２のファスナの間に延びる、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
配置する工程中に、第１の層及び第２の層の間に、ファスナよりも融点が低い第３の層を挿入する工程を更に含んでおり、少なくとも１つの溶接ゾーンは、第１の層及び第２の層を通って第３の層の一部分に延びる、請求項１５に記載の方法。
【請求項18】
溶接ゾーンは、第３の層を通って延びる、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
電位は、複数の溶接電極によって印加され、溶接電極よりも大きな電気抵抗を有する材料を溶接電極の少なくとも１つとスタックの間に挿入する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項20】
非鉄金属である複数の層と、
複数の層よりも高い融点を有し、当該複数の層の第１の層が電気抵抗加熱によって軟化したときに、複数の層における少なくとも第１の層に押し込んで溶接ゾーンを形成することができる導電性ファスナと、
を備えており、
溶接ゾーンは、第２の層の少なくとも一部に及んでこれを含んでおり、
ファスナはシャフトを有しており、当該シャフトの周面は、溶接ゾーンの凝固後に溶接ゾーンからのファスナの除去に抵抗するように、溶接ゾーンと相互にかみ合う表面粗さを有する構造体。
複数の層よりも高い融点を有し、当該複数の層の第１の層が電気抵抗加熱によって軟化したときに、複数の層における少なくとも第１の層に押し込んで溶接ゾーンを形成することができる導電性ファスナと、
を備えており、
溶接ゾーンは、第２の層の少なくとも一部に及んでこれを含んでおり、
ファスナはシャフトを有しており、当該シャフトの周面は、溶接ゾーンの凝固後に溶接ゾーンからのファスナの除去に抵抗するように、溶接ゾーンと相互にかみ合う表面粗さを有する構造体。
【請求項21】
ファスナは、第１の層に押し付けられ、第１の層の一部を覆うキャップを有しており、当該キャップは、第１の層から持ち上げられた材料と、溶接ゾーンから押し出された材料とを受け入れることができる、請求項２０に記載の構造体。
【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１２月１５日出願の米国仮出願第６１／０９１，９８０号、表題「Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｆａｓｔｅｎｅｒ， Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｆｏｒ Ｊｏｉｎｉｎｇ Ｓｉｍｉｌａｒ ａｎｄ Ｄｉｓｓｉｍｉｌａｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」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、及び／又は、アルミニウム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）。幾つかの例では、金属構造は、鋼以外の同種金属から作られたサブパーツを接合することによって製造される。
【0005】
アルミニウムを鋼に接合する既知のファスナ及び方法と、同種又は同じ非鉄金属を接合する既知のファスナ及び方法としては、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）よりも難しいかも知れない。例えば、高い強度のアルミニウム（２４０ＭＰａを超える）を、ＳＰＲ又はアルミニウムの別のシート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。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（fit-up）を必要とする。同様な問題は、ＦＢＪ及びＦＤＳにも関係している。例えば、ＦＤＳは通常、片側から適用され、接合される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】
【0006】
本発明の主題は、第１の導電層を第２の導電層に電気抵抗溶接を用いて固定する方法に関しており、当該方法は、第１の層と第２の層を物理的且つ電気的に接触させて配置する工程と、
第１の層よりも高い融点を有する導電性ファスナを、第１の層と物理的及び電気的に接触させて配置して、ファスナ、第１の層及び第２の層を含む導電性スタックを形成する工程と、
スタックに渡って電位を印加して、スタックに電流を流して抵抗加熱を生じさせて、抵抗加熱が第１の層の軟化を引き起こす工程と、
軟化した第１の層へとファスナを第２の層に向けて押して、第２の層の少なくとも一部分まで延びており、第２の層の少なくとも一部分を含む溶融溶接ゾーンを形成する工程と、
溶接ゾーンを冷却及び凝固させて、第１の層と第２の層を接合する工程と、
を含む。
【0007】
本発明の別の態様によれば、ファスナは、溶接ゾーンを冷却して凝固させた後、溶接ゾーンに保持される。
【0008】
本発明の別の態様によれば、ファスナはシャフトを有しており、シャフトは、シャフトの表面から延びる突出部を有しており、当該突出部は、押して冷却する工程の間、溶接ゾーンへ延びており、冷却する工程の後、溶接ゾーンから引き離される際のファスナの抵抗を増加させる。
【0009】
本発明の別の態様によれば、ファスナはシャフトを有しており、シャフトは、シャフトの表面に延びる窪みを有しており、当該窪みは、押して冷却する工程の間に溶接ゾーンの溶融金属をそこに延在させることを可能にし、ファスナが溶接ゾーンから引き離される際のファスナの抵抗を増加させる。
【0010】
本発明の別の態様によれば、ファスナは、押す工程の間に、第１の層から持ち上げられた材料を受け入れることができる、下方に垂れ下がるリップを有するキャップを有しており、当該持ち上げられた材料は、冷却する工程の間にリップとかみ合って、キャップとリップの間に機械的接続を提供する。
【0011】
本発明の別の態様によれば、キャップは、押す工程中に溶接ゾーンから押し出された材料を受け入れることができる。
【0012】
本発明の別の態様によれば、第１の層及び第２の層は、アルミニウム、マグネシウム、銅又はそれらの合金の少なくとも１つから形成される。
【0013】
本発明の別の態様によれば、第１の層及び第２の層はアルミニウム合金から形成される。
【0014】
本発明の別の態様によれば、ファスナは、鋼又はチタン合金の少なくとも１つから作られる。
【0015】
本発明の別の態様によれば、ファスナは、アルミニウム合金から作られる。
【0016】
本発明の別の態様によれば、第３層の鋼合金が、配置する工程中に第１層の遠位にて第２層と接触して配置され、ファスナは、押す工程の間、第１の層及び第２の層を通って押されて、ファスナを第３の層に溶接する工程を更に含む。
【0017】
本発明の別の態様によれば、第１の層の遠位にて第２の層と電気的に接触する非鉄合金の少なくとも１つの追加の層を配置する工程を含んでおり、溶接ゾーンは、その追加の層を第１層及び第２層に接合するために、押して冷却する工程中に追加の層内に延びる、
【0018】
本発明の別の態様によれば、層は、シート状の金属である。
【0019】
本発明の別の態様によれば、第２の層は、構造部材の一部である。
【0020】
本発明の別の態様によれば、印加する工程と押す工程の前に、スタックに第１のファスナと対応する第２のファスナを配置する工程を更に含んでおり、第１のファスナと第２のファスナの中間で少なくとも１つの溶接ゾーンがスタックに形成され、印加する工程中に第２ファスナが軟化した第２の層に押し込まれる。
【0021】
本発明の別の態様によれば、溶接ゾーンは、第１の層と第２の層を通って第１のファスナと第２のファスナの間に延びる。
【0022】
本発明の別の態様によれば、配置する工程の間に第１の層及び第２の層の間に第３の層を挿入する工程を更に含んでおり、少なくとも１つの溶接ゾーンは、第１の層及び第２の層を通って第３の層の一部分に延びる。
【0023】
本発明の別の態様によれば、溶接ゾーンは、第３の層を通って延びる。
【0024】
本発明の別の態様によれば、電気抵抗溶接を用いて第１の導電層を第２の導電層に固定するためのファスナであって、キャップと、当該キャップから延びており、キャップに対して遠位の端部を有するシャフトとを備えている。ファスナは、電気的接触状態に配置された第１及び第２の導電層を含むスタックに配置されって、スタックに渡って電位が印加させると、スタックを通る電流を案内することができる。ファスナは、第１及び第２の層よりも高い融点を有しており、電流は抵抗加熱を引き起こし、第１の層を軟化させ、シャフトは、第１の層の中に貫入して、ファスナと第２の層の間に延びる溶接ゾーンを確立することができる。
【0025】
本発明の別の態様によれば、シャフトは、シャフトの表面から延びる突出部を有しており、当該突出部は、溶接ゾーンへ延びており、凝固後において溶接ゾーンから引き離される際のファスナの抵抗を増加させる。
【0026】
本発明の別の態様によれば、シャフトは、シャフトへと延びる窪みを有しており、当該窪みは、溶接ゾーンの溶融金属をそこに延在させることを可能にし、冷えると、ファスナが溶接ゾーンから引き離される際のファスナの抵抗を増加させる。
【0027】
本発明の別の態様によれば、シャフトは、シャフトへと延びる窪みを有しており、当該窪みは、溶接ゾーンの溶融金属をそこに延在させることを可能にし、冷えると、ファスナが溶接ゾーンから引き離される際のファスナの抵抗を増加させる。
【0028】
本発明の別の態様によれば、シャフトは、複数の突出部を有し、当該複数の突出部の少なくとも２つの間にシャフト上の窪みが位置する。
【0029】
本発明の別の態様によれば、ファスナは、下方に垂れ下がるリップを有するキャップを有しており、リップは、第１の層から持ち上げられた材料と溶接ゾーンから押し出された材料とを受け入れることができる。
【0030】
本発明の別の態様によれば、ファスナは、回転軸回りで対称性を有しており、Ｕ字形断面を有する中空シャフトを有しており、キャップは、周辺リップを形成するＵ字形の開口端にてシャフトから延びており、周辺リップは反転して湾曲しており、第１の層から持ち上げられた材料が固体であると、キャップと第１の層を接続するために持ち上げられた材料と係合できる。
【0031】
本発明の別の態様によれば、ファスナは、厚さが異なる層からなる異なるスタックを接合することができる。
【0032】
本発明の別の態様によれば、突出部は、溶接中の変形の結果としてシャフト上に形成される。
【0033】
本発明の別の態様によれば、構造体は、非鉄金属である複数の層と、複数の層における第１の層よりも高い融点を有し、当該第１の層が電気抵抗加熱によって軟化したときに、複数の層における少なくとも第１の層に押し込んで溶接ゾーンを形成することができる導電性ファスナとを備えている。溶接ゾーンは、第２の層の少なくとも一部に及んでこれを含んでいる。ファスナはシャフトを有しており、当該シャフトの表面は、溶接ゾーンの凝固後に溶接ゾーンからのファスナの除去に抵抗するように、溶接ゾーンと相互にかみ合う表面粗さを有する。
【0034】
本発明の別の態様によれば、ファスナは、第１の層に押し付けられ、第１の層の一部を覆うキャップを有しており、当該キャップは、第１の層から持ち上げられた材料と、溶接ゾーンから押し出された材料とを受け入れることができる。
【0035】
本発明の別の態様によれば、電気抵抗溶接を用いて第１の材料を第２の導電性材料に固定する方法であって、第１の材料にパイロットホールを形成する工程と、第１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と、第２の材料に溶接可能な導電性ファスナをパイロットホールを通して延ばすことによって、当該ファスナを第２の材料と電気的に接触させて配置する工程と、ファスナと第２の材料の間で電位を印加する工程と、ファスナと第２の材料の間に電流を流して抵抗加熱を生じさせ、抵抗加熱によりファスナが第２の材料に溶接する工程と、を含む。
【0036】
本発明の別の態様によれば、ファスナ及び第２の材料は、スチール、アルミニウム、マグネシウム、チタン、それらの合金の少なくとも１つであり、第１の材料は、プラスチック、プラスチック複合材、金属プラスチックラミネート、セラミック、非導電性コーティングで被覆された金属の少なくとも１つである。
【0037】
本発明の別の態様によれば、非導電性コーティングは塗料である。
【0038】
本発明の別の態様によれば、非導電性コーティングは陽極酸化層である。
【0039】
本発明の別の態様によれば、非導電性コーティングで被覆された金属は、アルミニウム、鋼、チタン、マグネシウム、それらの合金、インコネルのうちの少なくとも１つである。
【0040】
本発明の別の態様によれば、パイロットホールを形成する工程は、パイロットホールの座ぐり部を形成する工程を含む。
【0041】
本発明の別の態様によれば、パイロットホールを有する第１の非導電性材料を電気抵抗溶接を用いて第２の導電性材料に固定するためのファスナは、キャップと、キャップから延びており、キャップの遠位にある端を有するファスナとを備えている。ファスナは、第１及び第２の材料がスタックとして配置されると、パイロットホールを通って挿入することができる。ファスナは、導電性材料から形成され、ファスナとスタックの間に電位が印加されるとき、スタックを通る電流を流すことが可能である。電流は抵抗加熱を引き起こし、キャップの遠位にある端部にて、ファスナを第２の材料に溶接し、端部が第２の材料に溶接されると、キャップと第２の材料の間で第１の材料が捕捉される。
【0042】
本発明の別の態様によれば、電気抵抗溶接を用いて第１の材料を第２の導電性材料に固定する方法であって、当該方法は、第１の材料にパイロットホールを形成する工程と、第１及び第２の材料を物理的に互いに接触させて配置する工程と、第２の材料よりも高い融点を有する導電性ファスナをパイロットホールを通して延ばすことによって、当該ファスナを第２の材料と電気的に接触させて配置する工程と、ファスナと第２の材料の間に電位を印加して、ファスナと第２の材料の間に電流を流して抵抗加熱を生じさせ、抵抗加熱により第２の材料を軟化させる工程と、ファスナを軟化させた第２の材料に押し込んで、ファスナが延在する第２の材料の溶融ゾーンをファスナに近接して形成する工程と、溶融ゾーンを冷却して凝固させて、凝固した溶融ゾーンにファスナを保持する工程と、を含む。
【0043】
本発明の別の態様によれば、電気抵抗溶接を用いて第１の層を第２の導電層に固定するためのファスナは、キャップと、キャップから延びているシャフトとを備えており、当該シャフトは、少なくとも１つの突起を有しており、キャップに対して遠位にある端部を有しており、当該突起は、当該端部から延びており、シャフトの遠位端の表面領域よりも小さい表面領域を有する終端を有している。ファスナは、第１の層と第２の導電層を含むスタックに配置されて、スタックに渡って電位が印加されると、スタックを通る電流を流すことができ、当該電流は、抵抗加熱を生じさせる。シャフトは、第１の層に貫入して、ファスナと第２の層との間に延びる溶接ゾーンを確立することができる。
【0044】
本発明の別の態様によれば、ファスナは複数の突起を有する。
【0045】
本発明の別の態様によれば、ファスナの突起は、半球状である。
【0046】
本発明の別の態様によれば、ファスナの突起は、円錐状である。
【0047】
本発明の別の態様によれば、ファスナの突起は、円環状である。
【0048】
本発明の別の態様によれば、ファスナの突起は、シャフトの遠位端の直径よりも小さい直径を有するパッドの形態である。
【0049】
本発明の別の態様によれば、ファスナの突起は、遠位端の接触領域に対するファスナのスタックとの接触面積を減少させることができる。
【0050】
本発明の別の態様によれば、ファスナの突起は、第１及び第２の層の少なくとも１つに塗布された非導電性コーティングを突き刺すことができる。
【0051】
本発明の別の態様によれば、ファスナの突起は、非導電性コーティングが局所的に加熱されることで、第１及び第２の層の少なくとも１つに塗布された非導電性コーティングを破壊することができる。
【0052】
本発明の別の態様によれば、第１の部材を第２の部材に溶接するための溶接装置であって、当該溶接装置は、電位を与えることできる第１の電極対を有する第１の溶接機を特徴としており、第１の電極対は、第１の部材における２つの離間した領域と接触して配置されており、第１の電極対の間で第１の部材に電気が流れる。溶接装置は、電位を与えることができる第２の電極対を有する第２の溶接機を特徴としており、第２の電極対は第２の部材の２つの離間した領域に接触して配置されるので、第２の電極対の間で第２の部材を通って電気が流れる。第１の部材の２つの離間した領域は、第２の部材の２つの離間した領域と揃えられる。
【0053】
本発明の別の態様によれば、第１の電極対又は第２の電極対の少なくとも１つの間における電気の流れは、第１の部材又は第２の電極の少なくとも１つの非導電性コーティングを破壊することができる。
【0054】
本発明の別の態様によれば、キャップは、変形に対するキャップの耐性を増加させる少なくとも１つのリブを有する。
【0055】
本発明の別の態様によれば、シャフトの長さは、実質的に円筒形である部分と、非円筒形である部分とを有する。
【0056】
本発明の別の態様によれば、電位は、溶接電極によって印加され、電極の少なくとも１つとスタックとの間に電極よりも大きな電気抵抗を有する材料を挿入する工程を更に含む。
【図面の簡単な説明】
【0057】
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75】図７５は、本発明の別の実施形態に基づくファスナの概略的な断面図でああって、当該ファスナは、第２層に溶接するために、座ぐりをした（countersunk）第１層のパイロットホールを通して挿入されている。
【発明を実施するための形態】
【0058】
本願は、２０１３年６月２６日に出願された米国特許仮出願第６１／８３９，４７８号、表題「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ Ｆｏｒ Ｊｏｉｎｉｎｇ Ｄｉｓｓｉｍｉｌａｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」、２０１４年６月２６日に出願された米国特許出願第１４／３１５，５９８号、表題「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ Ｆｏｒ Ｊｏｉｎｉｎｇ Ｄｉｓｓｉｍｉｌａｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」、２０１３年６月２３日に出願された米国仮出願第６１／８３９，４７３号、表題「Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｆａｓｔｅｎｅｒ，Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ 」、２０１４年６月２６日に出願された米国出願第１４／３１５，６９８号、表題「Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｆａｓｔｅｎｅｒ，Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ」、及び２０１４年２月３日に出願された米国仮特許出願第６１／９３４，９５１号、表題「Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｆａｓｔｅｎｅｒ，Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ」を組み入れており、これらの出願は、引用を以て本願の一部となる。
【0059】
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、導電性の金属、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。
【0060】
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。
【0061】
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。
【0062】
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。
【0063】
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によって把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。
【0064】
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。
【0065】
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。
【0066】
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。
【0067】
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１００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２，５００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６．０秒程度であってよい。ある例では、例えば１００ポンドの力、２５００Ａの電流、６秒のサイクル時間を使用されてよい。力と電流が増加すると、サイクルタイムがより短くなることがある。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４００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４００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。
【0068】
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。
【0069】
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。
【0070】
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。
【0071】
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、それが溶接される層、例えば層１３が溶接に適合している限りにおいて、チタン、マグネシウム、被覆鋼、電気メッキ鋼、又はステンレス鋼のような他の材料で作られてもよい。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。例えば、第１の層は、アルミニウム、マグネシウム、銅又はそれらの合金であってもよい。また、第１の層１１は、上記の何れかからなる複数の層、例えば、アルミニウムの２層、マグネシウムの２層、或いは、マグネシウム、銅又はアルミニウムの３層以上の複数の層であってもよい。随意選択的に、複数のタイプの材料が複数の層に使用されてよい。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。
【0072】
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。
【0073】
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。ある代替例では、層１１Ａ１及び層１１Ａ２の一方又は両方は、マグネシウム又はマグネシウム合金であってよい。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。
【0074】
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。
【0075】
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。
【0076】
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。
【0077】
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。
【0078】
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。
【0079】
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。
【0080】
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。
【0081】
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、電気メッキ）されてよい。
【0082】
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、アルミニウム及びその他の伝導体から作られた上側シートに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く、これによって、ファスナは、溶接前に上側シートを通って延びて、下側シートに達することができる。パイロットホールはまた、絶縁／非伝導層、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。さらに、誘電体／絶縁体材料が、鋼製ファスナ１０乃至６１０を介して鋼に付けられてよい。誘電体／絶縁体材料は例えば、炭素繊維強化プラスチックと、ジョージア州イーストマンのＡｌｃｏａ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓから入手可能なＲｅｙｎｏｂｏｎｄ（登録商標）のようなアルミニウム、マグネシウム又は鋼とプラスチックの金属−プラスチックラミネートを含むプラスチックやプラスチック複合材、繊維ガラス、ＳＭＣ、熱硬化性物質、熱可塑性樹脂、ガラスを含むであろうセラミックである。ファスナ１０乃至６１０は、これらの種類の材料の層のパイロットホールを通過し、電気抵抗溶接によって鋼の層に溶接される。プラスチック、プラスチック複合材及びセラミックはまた、適合性がある材料、例えばアルミニウム合金から全体的又は部分的に作られたファスナ１０乃至６１０を用いてアルミニウム層１３に接合されてよい。プラスチック、プラスチック複合材及びセラミックはまた、適合性がある材料、例えば、アルミニウム又はマグネシウム合金から全体的又は部分的に作られたファスナ１０乃至６１０を用いてマグネシウム層１３に接合されてよい。同様に、プラスチック、プラスチック複合材及びセラミックはまた、適合性がある材料、例えばチタン合金から全体的に又は部分的に作られたファスナ１０乃至６１０を用いてチタン層１３に接合されてよい。上側層１１は、プライマー、防錆コーティング、塗料、陽極酸化層のような非導電性コーティングで被覆されており、鋼、アルミニウム、マグネシウム又はチタンからなる溶接可能な層に、被覆された非導電層のパイロットホールを通して本発明のファスナ１０乃至６１０を溶接可能な層１３に延ばして溶接することで、溶接可能な層に接合されてよい。この方法は、ファスナ１０乃至６１０が、層１３への溶接に適した材料から作られる限りにおいて、アルミニウム、鋼、マグネシウム、又はチタンである、塗装／コーティングされた非導電性層１１を、鋼、マグネシウム、アルミニウム、又はチタンの層１３に任意の組み合わせで接合するのに適用することができる。この手法は、溶接可能な層１３に接合される層１１が予め塗装されているような産業、プロセス及び製造業に適用可能である。アルミニウム及び鋼のような異種材料を接合する場合、ガルバニック腐食を防止するために、予め塗装しておくのが一般的である。２つのシート１１、１３の一方を組み合わせる前に被覆することを可能にすることは、両方のシートが未被覆又は裸のシートと比較して、腐食保護を増進させるであろう。
【0083】
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。
【0084】
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。
【0085】
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、アルミニウム又はマグネシウムの２以上の層を鋼の１層に、アルミニウムの１層を鋼の２層に（図２２乃至２７）、又はアルミニウム又はマグネシウムの１層を鋼の１層に連結するために用いられてよい。
【0087】
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。
【0088】
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。
【0089】
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。
【0091】
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。
【0092】
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。
【0093】
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。
【0094】
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。
【0095】
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。
【0096】
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。
【0097】
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。
【0098】
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。
【0099】
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。
【0100】
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。
【0101】
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。
【0102】
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。
【0103】
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。
【0104】
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。
【0105】
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。
【0106】
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。
【0107】
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。
【0108】
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。
【0109】
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。
【0110】
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。
【0111】
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。
【0112】
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。
【0113】
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。
【0114】
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、接合部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。
【0115】
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。
【0116】
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。
【0117】
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。
【0118】
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。
【0119】
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。
【0120】
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。
【0121】
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。
【0122】
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に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。
【0123】
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。
【0124】
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。
【0125】
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。
【0126】
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。
【0127】
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。
【0128】
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。
【0129】
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。
【0130】
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。
【0131】
図５９は、ファスナ（抵抗リベット）４４１０を示しており、当該ファスナは、上述したようなアルミニウムと鋼の接合だけでなく、第１のアルミニウムシート１１Ａと第２のアルミニウムシート１１Ｂ（図６０）との接合も可能にする。ある代替的な実施形態では、一方又は両方のシート１１Ａ、１１Ｂは、アルミニウム／アルミニウム合金以外の非鉄金属、例えばマグネシウム／マグネシウム合金若しくは銅であってよい。ファスナ４４１０は、ファスナ４４１０の根元（又は底）４４１４Ｒ近くのシャフト４４１４に環状溝４４１４Ｇを有する。ファスナ４４１０はまた、キャップ４４１２の周縁周りに配置されたリップ４４１２Ｌを特徴としている。
【0132】
図６０では、ファスナ４４１０は、より目立ったリップ４４１２Ｌ２を有しており、２つの使用段階、即ち、溶接前（ステージＡ）及び溶接後（ステージＢ）にて示されている。ファスナ４４１０を形成する材料は、アルミニウムシート１１Ａ、１１Ｂよりも低い熱伝導率及び電気伝導率と、様々な等級の鋼、ステンレス鋼、チタンなどのよりも高い融点とを有してよい。用語「シート」は層１１Ａ、１１Ｂを特定するために使用されるが、別の形態の金属層、例えば、構造ビーム、プレート、管などの側壁にも適用可能であろうと理解される。アルミニウムに加えて、マグネシウム又は銅のような導電性材料の他のシートが、ファスナ４４１０によって接合されてよい。ある代替例では、アルミニウムのシート１１Ａは、シート１１Ｂの位置にあるマグネシウム又はマグネシウム合金のシートに接合されてよい。シート１１Ａ、１１Ｂの相対的な位置は、例えば、上側（１１Ａ）にマグネシウムシート、下側（１１Ｂ）にアルミニウムシートのようにして逆転することもできる。別の代替例では、シート１１Ａ、１１Ｂの一方は、ろう付けシートであってよい。ファスナ４４１０が、ステージＡに示されるように、電極チップ４４１５、４４１７の間に配置されると、電流及び収斂力Ｆ１、Ｆ２が印加され、ファスナ４４１０及び介在層１１Ａ、１１Ｂが加熱され、層１１Ａ、１１Ｂの局所的な軟化が生じる。これによって、ファスナ４４１０が層１１Ａの表面１１ＡＳを貫通し、次いで層１１Ｂの中に入ることが可能となる。図６０、図７０及び図７１の電極は、説明を容易にするために、回転立体として模式的に描かれているが、図４及び図２２のような断面で示すこともできる。電流Ｉ及び力Ｆ１、Ｆ２が印加される時間と、電流Ｉ及び力Ｆ１、Ｆ２の大きさとは、根元４４１４Ｒが層１１Ａ、１１Ｂの中間位置で止まるように制御されてもよい。層１１Ａ、１１Ｂの溶融金属は、溶接ゾーン４４１０Ｗとして入り混じってファスナ４４１０を囲んでおり、溝４４１４Ｇへと流れる。溶接部４４１０Ｗが冷却して硬化すると、層１１Ａ、１１Ｂは溶接され、ファスナ４４１０が中間位置で図６０のステージＢに示すように埋め込まれる。ある実施形態では、溝４４１４Ｇは、螺旋状のねじ山のような螺旋溝の形態であってよく、又は、別の種類の形態であって、シャフト４４１４の外面を荒らし、溶接部４４１０Ｗがその形態の周囲に流れて、冷却されるとその形態をグリップ（「固定」）してもよい。シャフト４４１４には、溝４４１４Ｇに対応して突出したリング（図示せず）がステム４４１４から突出していてよい。様々な窪み又は突部形態がシャフト４４１４で利用されてよく、溶接４４１０Ｗの溶融金属と噛み合い又はこれを固定して、層１１Ａ、１１Ｂに挿入された後において引っ張られる際のファスナ４４１０の抵抗を増加させる。また、ファスナ４４１０は、キャップ４４１２の周縁周りに配置されたリップ４４１２Ｌ（図５９）／４４１２Ｌ２（図６０）を特徴としており、当該リップは、層１１Ａ、１１Ｂが電流Ｉによって軟化して、力Ｆ１、Ｆ２によって軟化表面１１ＡＳに押し込まれると、層１１Ａ及び／又は１１Ｂの表面に押し込まれてよい。シート１１Ａ、１１Ｂを通ってファスナ４４１０が押されると、溶融金属４４１０Ｅは、リップ４４１２Ｌの下を流れるようにシート１１Ａ及び／又はシート１１Ｂから押し出されてよく、金属４４１０Ｅが冷却して凝固すると、層１１Ａ及び／又は層１１Ｂにファスナ４４１０を固定する。 溶接ゾーン４４１０Ｗは環状であって、同時にシート１１Ａ、１１Ｂの間に環状溶接部を形成する一方で、溝４４１４Ｇと環状のかみ合い関係を作り出す。押し出された／軟化した金属４４１０Ｅはまた、キャップ４４１２の周縁周りのリップ４４１２Ｌ２に「引っ掛かる（hook）」するか、又は、かみ合うことで、リップ４４１２Ｌ２と押し出された／軟化した金属４４１０Ｅとの間に環状のかみ合い関係を作り出す。引っ掛けリップ４４１４Ｌ２は、ファスナ４４１０を圧縮状態に保持する一方で、層１１Ａ、１１Ｂは、膨張及び／又は溶融、次いで凝固した後に収縮する。アルミニウムシート１１Ａ、１１Ｂは、層１１Ａ、１１Ｂをブリッジするファスナ４４１０と共に融合した溶接ゾーン４４１０Ｗによって接合される。これにより、結果として生じる接合部４４１０Ｊには、重ね剪断荷重方向及び交差張力荷重方向の両方の強度が付与される。
【0133】
上述した実施形態の概説から理解できるように、ファスナ４４１０は、例えば図１１に示すように、例えば鋼製の第３のシートに溶接するために一対のアルミニウムシート１１Ａ、１１Ｂを通って押し込まれてよい。１つの環状溝４４１２Ｇのみが示されているが、複数の溝又は他の形態がシャフト４４１４に沿って設けられてよく、ファスナが所定の深さまで貫入すると、アルミニウム１１Ａ、１１Ｂの異なる層と相互作用するように適切に配置されてよい。２つの層１１Ａ、１１Ｂのみが示されているが、より多くの数の層がファスナ４４１０によって固定されてよい。
【0134】
図６１は、力Ｆ１、Ｆ２及び電流Ｉ（図６０）の印加中に、シート１１Ａ、１１Ｂ（まとめて「スタック」Ｓ１、Ｓ２と呼ぶことができる）にファスナ４４１０を様々な貫入度合いで押し込むことができることを示している。スタックＳ１、Ｓ２におけるシート１１Ａ、１１Ｂの向き及び厚さに応じて、ファスナ４４１０は、シート１１Ａ、１１Ｂの一方又は両方のシートに完全又は部分的に貫入することができる。ファスナ４４１０が両方の厚さを貫入する場合（図６１Ａ）、ジョイント４４１０Ｊ１において、剪断荷重経路は、溶接ゾーン４４１０Ｗ１と鋼製ファスナ４４１０の両方を通るであろう。ファスナ４４１０が厚さのうちの１つ（図６１Ｂ）のみを貫入するだけの場合、ジョイント４４１０Ｊ２において、重ね剪断は、完全に溶接ゾーン４４１０Ｗ２を通ってよい。これは高い柔軟性を提供する。何故ならば、ファスナ４４１０が各層１１Ａ、１１Ｂを十分に貫入しない場合でさえも、スタックＳ２において、複数のシート１１Ａ、１１Ｂ等の間にジョイント４４１０Ｊ２が十分に形成され得るからである。貫入深度は、加えられた力Ｆ１、Ｆ２の量に加えて電流Ｉ（図６０）を調整することによって制御できる。加熱電流の強度及び持続時間を調整することによって、ユーザは、シート１１Ａ、１１Ｂにおけるファスナ４４１０周囲の溶接量（溶融溶接ゾーン４４１０Ｗ１、４４１０Ｗ２の体積）を増加させることができる。これらの制御因子は、電流Ｉの強度及び持続時間及び／又は印加する力Ｆ１、Ｆ２を調整することによって、ユーザが、様々なシート１１Ａ、１１ＢのスタックＳ１、Ｓ２を単一のファスナ４４１０を用いて接合することを可能にする。用途によっては、印加される力Ｆ１、Ｆ２は一定であってよく、その結果、電流Ｉの大きさ及び印加時間を変えることによって制御の可変性がもたらされる。
【0135】
図６２は、一方向から当てられたファスナ４４１０によって接合された３つのシート／層１１Ａ、１１Ｂ、１１ＣのスタックＳ３（「３Ｔスタック」とも呼ばれる）の断面を示す。 図６１Ａ（Ｓ１）、６１Ｂ（Ｓ２）に示すような２層（２Ｔ）スタックの場合と同様に、ファスナ４４１０は、シート１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの何れにも貫入していなくてよく、何れか１つ又は複数に貫入してよい。図６２では、溶接電流強度及び持続時間は、ファスナ４４１０のシャフト４４１４及び根元４４１４Ｒに沿ってシート１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを溶融させるように選択されており、溶接継手４４１０Ｗ３は、３つのシート／層１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの全てを接合可能としている。３層（３Ｔ）接合が示されているが、ファスナ４４１０は、４つ以上のシート／層１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを接合して４Ｔ継手を形成するために使用されてよい。
【0136】
図６３は、１対のファスナ４４１０Ａ、４４１０Ｂを用いて互いに溶接された３層スタックＳ３を示す。幾つかの産業、例えば自動車製造においては、一般的なアルミニウム接合のスタックは、典型的には１０ｍｍより厚くなく（図６３のＴ参照）、より一般的には約４乃至８ｍｍである。スタック（接合）が厚く、例えば１０ｍｍより大きい場合には、２つのファスナ４４１０Ａ、４４１０Ｂを組み合わせてスタックＳ３の両側から適用することが有益であろう。ファスナ４４１０Ａ、４４１０Ｂは、両方のファスナからの熱が層１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの溶融に寄与するように、対向した向きで加えられてよい。図６３では、３層スタックＳ３（接合）が示されている。２つのファスナ４４１０Ａ、４４１０Ｂは、層１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを溶融させて、３つのシート全てを纏める。図６３では、ファスナ４４１０Ａ、４４１０Ｂは、外側の２枚のシート１１Ａ、１１Ｃを完全に貫通していないが、溶接プロセスによって発生した熱は、シート１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを通って延在する溶接ゾーン４４１０Ｗ４を形成して、シート１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを接合する。代替的な手法では、ファスナ４４１０Ａ、４４１０Ｂは、図４６乃至図４８に示す実施形態のように、シート１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを完全に貫通して互いに溶接されてよいが、このことは、ファスナ４４１０Ａ、４４１０Ｂが、溶接ゾーン４４１０Ｗ４とのかみ合いを可能にする溝４４１０Ｇのような形態を有する場合には、所与の目標接合強度を達成するためには必要でないかもしれない。
【0137】
図６４は、代替的な試みを示しており、２つのファスナ４４１０Ａ、４４１０Ｂが、図６３のように使用されるが、電流Ｉの強度及び持続時間は、２つの独立した溶接ゾーン４４１０Ｗ５及び４４１０Ｗ６が外側シート１１Ａ、１１Ｃと内側シート１１Ｂとの間で別々に生成されるようにされる。必要とされる電流は、図６３に示すような３つのシート１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ全てを貫通する溶接ゾーン４４１０Ｗ４よりも、２つの別々の溶接ゾーン４４１０Ｗ５，４４１０Ｗ６を生成する方が小さい。この低減された電流要件は、エネルギー使用を低減し、溶接による歪みを低減し、サイクル時間を改善することによって、節約をもたらす。
【0138】
図６５は、上述したファスナ４４１０のものと同様なキャップ４５１２及びシャフト４５１４を有するファスナ４５１０を示している。しかしながら、溝４４１４Ｇの代わりに、根元４５１４Ｒに近接する周辺ビード４５１４Ｂは、層１１Ａ、１１Ｂの間に延在してこれらを結合する溶接ゾーン４５１０Ｗ６にファスナ４５１０を「固定」する形態として使用されている。この実施形態では、溶融して押出された金属の領域Ｒは、リップ４５１２Ｌとビード４５１４Ｂの間に捕捉される。
【0139】
図６６は、ファスナ４６１０を示しており、根元４６１４Ｒは僅かに王冠形状を有しており、ファスナ４６１０をシート、例えば１１Ａに押し込むことを容易にしている。ファスナ４５１０と同様に、留め具４６１０は周辺ビード４５１４Ｂを有する。
【0140】
図６７は、ファスナ４７１０を示しており、当該ファスナは、ファスナ４６１０に似ているが、根元４７１４Ｒに近接するビード４７１４Ｂ１に加えて、シャフト４７１４に第２のビード４７１４Ｂ２を有している。根元４７１４Ｒは、僅かに王冠状であるか、外向きに湾曲している。
【0141】
図６８は、砂時計の底のように、シャフト４８１４の連続的な曲線に沿って形成されたビード４８１４Ｂを有するファスナ４８１０を示す。この「砂時計」形状は、シャフト４８１４のより急激に発散するかみ合わせ形態と比較して、層１１Ａ及び／又は１１Ｂに貫入するのに必要とする全体的な挿入力を低下させる。ある代替例では、環状ビード４８１４Ｂを形成するために貫入中に変形するようにファスナを設計することで、溶接領域４８１０Ｗとかみ合うことで形成される接合部の強度を向上させてよい。シャフト４８１４の直径ＤＷは、ビード４８１４Ｂの直径ＤＢよりも小さく、例えば、シャフト直径ＤＷは、≦０．９×ＤＢであってよい。別の代替例では、ビード４８１４Ｂのような突出部を有するシャフト４８１４の代わりに、内側に湾曲する形態が、溶接ゾーン４８１０Ｗとの固定に用いられてよい。例えば、外側に湾曲する代わりに、ビード１８１４Ｂの形状を内側に湾曲させて、図５９に示すファスナ４４１０の溝４４１４Ｇのような溝が形成されてよい。
【0142】
図６９Ａはシート１１Ａ１、１１Ｂ１、図６９Ｂはシート１１Ａ２、１１Ｂ２、図６９Ｃはシート１１Ａ３、１１Ｂ３である種々のスタックＳ７、Ｓ８、Ｓ９を示しており、異なる厚さ（ゲージ）が、単一の寸法／幾何学的構成を有する単一のタイプのファスナ４４１０を用いて接合されてよい。同じ多用途特性は、上述した他のファスナ、例えば４５１０、４６１０、４７１０、４８１０などにも当て嵌まる。より詳細には、ファスナ４４１０などは、図６９ＡのＳ７のような薄いスタックで使用されてよい。ファスナ４４１０の根元４４１４Ｒは、全ての層１１Ａ、１１Ｂを貫通するか、又はほとんど貫通してよい。同じファスナ４４１０がスタックＳ８で使用されてよく、図６９Ｂに示すように、層１１Ｂ２への貫入は、部分的となる。同じファスナ４４１０は、図６９ＣのスタックＳ９のように、僅かに貫入するのみである場合（１１Ａ３の一部のみ）に使用できるが、強度及び持続時間が適切である十分な溶接電流Ｉが印加されると、層１１Ａ３，１１Ｂ３間をブリッジする根元４４１４Ｒを十分に超えて延びる溶接領域４４１０Ｗ３が形成される。本発明の一態様では、種々の完全アルミニウムスタック、例えば、厚さが異なるＳ７、Ｓ８、Ｓ９用に、単一のファスナタイプ、例えば４４１０を使用する。図６９では、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３であり、Ｔ１は、例えば＞１ｍｍであってよい。加えて、例えば、本願の図４乃至図１１、又は引用を以て本願の一部となる出願番号第６１／８３９，４７８の図１乃至図４５について、同じファスナ４４１０が、アルミニウム以外の非鉄層１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを含むスタックの組合せで使用でき、これらは、随意選択的に、鋼又は上記の他の材料と接合されてよい。従って、ファスナ４４１０は、セルフピアスリベット（ＳＰＲ）のような、異なるスタック厚さに対応するために異なる長さのリベットと異なる工具を使用する他の接合技術で使用されるファスナよりも広い適用範囲を有する。
【0143】
図７０は、例えばアルミニウム又は非鉄合金であるシート／層１１Ａを、閉じた中空部材Ｍの壁１１ＢＷに抵抗溶接によって結合するファスナ４４１０を示している。中空部材Ｍは、例えば、アルミニウム又は非鉄合金から作られた中空の押出ビームであってよい。図７０では、溶接プロセスは、直接的な手段を用いて行われてよく、第１の電極１５が力Ｆ１の下でシート１１Ａと接触して配置されており、対向する電極１７は、閉じた部材Ｍと接触して配置されて対向する力Ｆ２をもたらしており、電流Ｉを変圧器（図示せず）に戻している。ファスナ４４１０及び溶接プロセスは、例えば図５９乃至図６９に関して説明したように、２つ以上のシート１１Ａ、１１Ｂの接合に関して上述したのと同じように作用するが、溶接接合部４４１０Ｗ８は、シート１１Ａと閉じた部材Ｍの壁１１ＢＷとの間にある点で異なる。このタイプの接合は、典型的にはシート１１Ａにパイロットホールを必要とするＥＪＯＴのような他の接合技術とは異なっている。ＳＰＲのような技術は通常、部材Ｍが閉じた断面を有するために容易にアクセスできない接合部の裏側に工具を配置する必要がある。従来の抵抗スポット溶接（ＲＳＷ）は、図７０に示すような用途において問題がある。何故ならば、必要な溶接電流が、強い熱のもとで電極が接合部をつぶすようなものであるからである。
【0144】
図７１は、図７０に示されたものとは別の電極構成を示しており、当該電極構成は、溶接ゾーン４４１０Ｗ９を形成するファスナ４４１０を用いて、閉じた部材Ｍの壁１１ＢＷにシート１１Ａを間接抵抗溶接するプロセスを行うものである。対向電極１７を図７０に示す位置で使用できない場合、溶接プロセスは、間接的な手段を用いて行うことも可能であって、図７１に示すように、戻り電流Ｉは、リベット電極１５に真っ直ぐに沿っていない位置から、ピックアップ電極１７Ｐで拾うことができる。
【0145】
図７２は、シート１１Ａ、１１Ｂに作られた溶接接合部４４１０Ｊの断面を示している。各シートは、１．６ｍｍの７０７５−Ｔ６アルミニウム合金であって、接合部は、図２に示すようなファスナ１０を用いて作製されている。この実験では、ファスナ１０は、シート１１Ａを通り、更にはシート１１Ｂの大部分を通って、鋼の裏当てシート（示されていないが、シート１１Ｂに近接しており、シート１１Ｂの遠位にある）に向けて突き出された。ファスナ１０の長さは、シート１１Ａ、１１Ｂを完全に貫通するのに十分ではなかったので、鋼板への溶接はなかった。この実験によって、ファスナ１０が、溶接ゾーン４４１０Ｗ１０においてアルミニウムシート１１Ａ、１１Ｂを融解して互いに溶接できることが確認された。ファスナ１０は、上述した４４１２Ｌ、４４１４Ｇ、４４１４Ｂ等のようなかみ合い形態を有していないので、溶接シート１１Ａ、１１Ｂから外すことができたが、溶接ゾーン４４１０Ｗ１０とかみ合うようなこれらの特徴を備えていれば、容易に外すことはできなかったであろう。
【0146】
本発明の態様は、従来の抵抗スポット溶接ステーションを用いてスタックＳ１、Ｓ２、Ｓ３に適用される特別なファスナ、例えば４４１０，４５１０などの使用を含んでいる。ファスナがスタックを接合するのに適用されて、ファスナとスタックの間の機械的なかみ合いがもたらされる一方で、ファスナと接触する層１１Ａ、１１Ｂ等が局所的に溶融して、鋳造接合部又は溶接部を形成できるような溶接熱がもたらされる。ファスナ４４１０，４５１０等は、アルミニウムとアルミニウム、マグネシウムとマグネシウム、銅と銅のような単一種類の非鉄材料の層の接合、或いは、アルミニウムと銅、アルミニウムとマグネシウムのような異なる種類の材料の層の接合に使用されてよい。 ファスナ４４１０、４５１０等は、層１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ等の界面にて接着剤を用いて適用されてよい。ファスナ４４１０，４５１０等は、アルミニウムと鋼のような異種材料の層１１Ａ、１３を接合するために使用されてもよい。故に、本発明は、材料とゲージの多種多様な組合せの接合を可能にする。
【0147】
本発明のファスナ及びプロセスは、コスト効率がよく、例えば自動車製造における抵抗スポット溶接を利用する既存の製造インフラストラクチャとロジスティックに適合しており、鋼板抵抗溶接用に開発された従来のＲＳＷ装置に適合している。本発明のファスナ及びプロセスでは、溶接中に層１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃが加圧されて保持されて、ファスナ４４１０、４６１０等のキャップ４４１２、４６１２等の中に、熱影響域が捕捉されることに起因して、低部分歪みのような望ましい幾つかの属性がもたらされてよい。キャップ４４１２、４６１２等とシート１１Ａの間に形成された空間は、溶接プロセスに起因して形成される／変位する金属間化合物又は変位した材料を捕捉するための入れ物を提供する。溶接中に電極１５が完全に止まると、金属間化合物は、キャップ４４１２と上川シート１１Ａの間でシールされる。所定の形状を有するファスナ４４１０、４５１０等が先に説明されているが、ファスナの様々な部分が、例えば、部分の厚さを変えることによって設計されて、これにより、溶接プロセス中の変形が可能とされてよい。このことは、図６８のビーズ４８１４Ｂに関して先に説明されているが、キャップ４８１２及びシャフト４８１４に加えて、図１乃至図７１に記載のファスナの他のものにも拡張できるであろう。ファスナ１０、１１０、４４１０等は、種々な厚さのシート１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ等と共に使用することができる。何故ならば、ファスナ１０、４４１０等は、溶接プロセス中に変形して、所定の貫入を達成することができるからである。幾つかの実施形態では、ファスナ１０、１１０、４４１０、４６１０、４８１０等は、連続的につぶれて、溶接ゾーンに沿って直径が広がり、ファスナの貫入及び溶接フェーズ中にて溶接ゾーンから金属間化合物を押し出す。
【0148】
ファスナ１０、１１０、４１１０、４１１０等は、層／シート１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１３等の間に、及び層／シートの表面上に接着剤を使用して適用されてよいが、接着剤は、導電性であるか、溶接電流Ｉの印加に先立ってファスナと容易に置き換わることが必要である。ファスナ１０、１１０、４４１０、４６１０等は、接合されたシート１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１３の一方の側に水密な接合部を形成することができ、その場合、ファスナは最も遠位のシート、１１Ｃ又は１３に貫入する必要はない。
【0149】
ファスナ１０、１１０、４４１０、４５１０等は、種々の材料な材料、例えば、種々の鋼種（低炭素、高強度、超高強度、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く、コーティング（亜鉛めっき、合金めっき、溶融浸漬、アルミめっき）されて耐食性を向上させてよく、片面又は両面アクセス溶接プロセスで使用できてよい。ファスナ１０、１１０、４４１０、４５１０等は、任意のシート／層１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ又は１３に形成されるパイロットホールを必要としないが、非鉄層１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの１又は複数にあるパイロットホールと共に使用することもできる。
【0150】
本発明に従って形成される接合は、溶接部の深さ、直径及び体積を検査することで、溶接後にＳ１、Ｓ２、Ｓ３等に形成されたキャビティに適用される品質保証測定によって検査及び分類又は等級付けされてよい。溶接品質を監視するために、超音波ＮＤＥ技術が、スタックＳ１、Ｓ２等の側面に、又は、ファスナ１０、１１０、４１０、４４１０、４６１０等の遠位の最終鋼側層に適用されてよい。
【0151】
本発明のファスナ１０、１１０、４４１０、４５１０等とプロセスとが利用する装置の設置面積は、ＦＤＳ（ＥＪＯＴＳ）、ＳＰＲ、及びＳＦＪよりも小さいので、溶接されるアセンブリによって規定されるより狭い空間へのアクセスを可能にし、シート／層１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ等がファスナ挿入フェーズ中に加熱されるので、ＳＰＲと比較して使用する挿入力が小さくなる。本発明のファスナ及び方法は、ファスナで鋼を突き通す必要はなく、代わりにファスナが溶接されるので、ＳＰＲ処理中における亀裂に敏感な高強度アルミニウムを接合し、非鉄シート／層１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ等を超高強度鋼に接合する方法を提供する
【0152】
本発明のプロセス及び装置は、回転部品を必要とせず、部品取付け問題に対処する能力は、部品の固定方法に関して従来のＲＳＷと同じである。開示されたプロセス及びファスナ１０、１１０、４４１０、４５１０等は、従来のＲＳＷと同様の処理速度を示しており、鍛造及び鋳造アルミニウム製品の両方に使用することができる。本発明のプロセス及びファスナは、接合強度が低いバイメタル溶接に依存しておらず、アルミニウムと鋼の複数のシートに接合することに適用可能であって、例えば、２層のアルミニウムを１層の鋼に、１層のアルミニウムを２層の鋼に、１層のアルミニウム層を１層のマグネシウムに、或いは、複数層のアルミニウム層１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを互いに接合することに適用可能である。ファスナ１０、１１０、４１０４、４５１０等が貫入する際に層１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃが溶融するので、溶接ゾーン及び全体の接合強度が増加する。
【0153】
図３２又は図３４に示されるような多層ファスナ１９１０、２１１０は、図６０及び図６６に示す４４１４Ｇ又は４６１４Ｂのようなかみ合い形態を含んでも含まなくてもよく、複数材料界面を横切る拡散を防止するために、高温用途に使用されてよい。さらに、フィルム、接着剤又はコーティング１７２８（図２８，２９）或いは４２５０Ｂ、４２６０Ｂ、４２７０Ｂ（図５７Ａ−Ｃ又は４３８２Ｒ（図５８））に起因するセルフシーリング接合が使用されてよく、スタックＳ１、Ｓ２、Ｓ３等において、ファスナ４４１０、４５１０等のキャップ４４１２、４５１２等の外側シート１１Ａへのシーリングが改善される。ファスナ４４１０、４５１０、４６１０等は、片側かみ合わせプロセスによって、非鉄層／シート１１Ａ、１１Ｂ等又は非鉄シート１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ等を鉄シート１３に接合するのに使用されてよい。当該プロセスは、例えば、最外シート、例えば１１Ｃ又は１３の外側表面を歪ませることなく接合部を作ることができる。本発明のファスナ４４１０，４５１０，４６１０等は、ファスナのキャップ４４１２、４５１２等に、４２のファスナ２９１０のように、溶接プロセス中に圧縮される余分な材料を組み込むことによって、広範な厚さのシート／層１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ等を接合するのに適している。
【0154】
本発明のファスナ４４１０、４５１０、４６１０等は、アルミニウム、アルミニウム合金、鋼、ステンレス鋼、銅、及び／又はチタンから作られてよい。本発明のファスナ４４１０、４５１０、４６１０等は、例えば、図３２乃至図３７に示すような２層又は３層スタックにおいて、２種類以上の異なる種類からなる材料組成、例えば２種類のアルミニウム合金を有してよく、抵抗溶接と、抵抗ろう付けやはんだ付け等のような、より低い熱プロセスの両方を可能にする。結果として生じる溶接されたスタックＳ１、Ｓ２、Ｓ３は、ファスナ４４１０、４５１０、４６１０等と層１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ等が溶接プロセス中に押圧状態に保持されることにより、改善された疲労性能を示し得る。
【0155】
図７３は、鋼、チタンなどで作られたファスナ４９１０、或いは、バイ又はトリメタル製である、及び／又は、コーティング若しくは電気めっきされたファスナ４９１０と、鋼、チタン、銅又はこれらの合金等で作られており、電気抵抗溶接を用いてファスナ４９１０に溶接するのに適した第２の層４９１３との断面図を示す。例えば、シート４９１３が鋼である場合、鋼ファスナ４９１０がそれに溶接されてよい。別の例では、シート４９１３がアルミニウム合金である場合、ファスナ４９１０は、少なくとも部分的にアルミニウム合金で作られてよい。ファスナ４９１０は、図１乃至図７２に関連して先に説明した方法及び形状で形成されてよい。図７３は、スタックの接合部４９１０Ｊの断面を示しており、当該接合部は、ファスナ４９１０と、例えば、非導電性プラスチック、セラミック、ガラス、非導電性金属又は複合材料である第１のシート／層４９１１Ｐと、鋼、チタン、銅、アルミニウム、マグネシウム、又は別の導電性合金であって、ファスナ４９１０が溶接され得る第２の導電シート／層４９１３とを用いて形成されている。パイロットホール４９１０Ｈは、シート４９１１Ｐに形成されており、ファスナ４９１０は、抵抗加熱によりそれを通って溶解するのではなく、パイロットホール４９１０Ｈを通って挿入することができる。この手法の１つの態様は、溶接可能な導電性のシート又は部材４９１３を、抵抗溶接によって、非導電性シート又は部材４９１１Ｐに片側から接合することを可能にする。パイロットホール４９１０は、ファスナ４９１０とシート４９１３との間の電気接触と、誘電体／非導電層を通る電気的流れとを可能にする。電流は、ファスナ４９１０及びシート４９１３を通って電極４９１５と電極４９１７の間を流れて、ファスナ４９１０とシート４９１３の間で溶接部を生成する。さらに、誘電体／絶縁体材料が、適合するファスナ１０乃至４６１０を介して、鋼、アルミニウム、マグネシウム等の導電性金属に取り付けられてよい。誘電体／絶縁体材料は、例えば、炭素繊維強化プラスチックと、ジョージア州イーストマンのＡｌｃｏａ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓから入手可能なＲｅｙｎｏｂｏｎｄ（登録商標）のようなアルミニウム、マグネシウム又は鋼とプラスチックの金属−プラスチックラミネートを含むプラスチック複合材、繊維ガラス、ＳＭＣ、熱硬化性物質、熱可塑性樹脂、ガラスを含むであろうセラミックである。ファスナ１０乃至４６１０は、これらの種類の材料の層のパイロットホールを通過し、電気抵抗溶接によって導電性金属層に溶接される。ファスナ４９１０、導電性シート４９１３及び非導電性シート４９１１Ｐを作る材料は、溶接中のシート４９１１Ｐの溶融を防止するように選択されてよい。例えば、プラスチックシート４９１１Ｐの場合、バイメタル鋼−アルミファスナ４９１０とアルミニウムシート４９１３とを組み合わせることで、低温溶接が行われてよい。前述の説明は、以下の例のように、様々な非導電性層４９１１Ｐ（同一又は異なる材料の単一又は複数の層）は、導電層４９１３への溶接に適した材料で作られたファスナ４９１０を使用して、様々な材料から作られた導電性層４９１３に固定されてよいことを説明している。例えば、鋼ファスナ４９１０を使用して、プラスチック／複合層４９１１Ｐ（炭素繊維強化プラスチック、ガラス繊維、ＳＭＣ、熱硬化性物質を含む）を鋼層４９１３に固定；鋼ファスナ４９１０を用いてセラミック層４９１１Ｐを鋼層４９１３に固定；アルミ／二重層アルミニウム／鋼ファスナ４９１０（図３１のファスナ１８１０を参照）を用いて、プラスチック／複合材又はセラミック層４９１１Ｐをアルミニウム層４９１３に固定；アルミニウム、マグネシウム又は複合二層ファスナ４９１０を用いて、プラスチック／複合材又はセラミック層４９１１Ｐをマグネシウム層４９１３に固定；チタンファスナ４９１０を使用して、プラスチック／複合材又はセラミック層４９１１Ｐを、チタン層４９１３に固定してよい。
【0156】
図７４は、図７３のファスナ４９１０と同様のファスナ５０１０を示しており、溶接部５０１０Ｗを形成して、シート５０１３とファスナのキャップ５０１２との間で、シート５０１１Ｐ（左側）及び５０１１Ｃ（右側）を補足することによって、シート５０１３に溶接されている。左側シート５０１１Ｐと右側シート５０１１Ｃは、様々な断面形状のシートが使用可能であることを示すために、図示の便宜上、同じ図において示されている。典型的には、シートは、単一のタイプの断面組成、例えば、５０１１Ｐ又は５０１１Ｃを有しており、接合部５０１０Ｊで固定されるであろう。シート５０１１Ｐは、ポリカーボネート又はアクリル等の単一の厚さプラスチックである。シート５０１１Ｃは、複合シートであって、アルミニウム又は鋼のような２つの外側金属層５０１１Ｃ１、５０１１Ｃ３に積層されたポリマー層５０１１Ｃ２を有する。このタイプの複合パネルは、例えば、上述のＡｌｃｏａ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓから入手可能なＲｅｙｎｏｂｏｎｄ Ｒであって、市販されている。プラスチック、プラスチック複合材及びセラミックはまた、適合性のある材料から全体的又は部分的に作られたファスナ１０乃至５０１０を用いて、アルミニウム、鋼、マグネシウム、インコネル、チタン５０１３等の導電性金属の層に接合されてよい。
【0157】
複合シート５０１１Ｃは、非導電性ポリマーからなる中間層を有しているので、その厚さにわたって導電性ではなく、電気抵抗溶接によってファスナ５０１０をシート５０１３に取り付けるためには、パイロットホール５０１０Ｈが必要とされる。層４９１１Ｐを通って真っ直ぐに延びており、ファスナのシャフト４９１４とシート４９１１Ｐとの間に隙間を残している図７３のホール４９１０Ｈとは異なり、図７４のホール５０１０Ｈは、ファスナのシャフト５０１４のテーパーに近似したテーパーを有しており、溶接部５０１０Ｗが完成すると、密接固定或いは接触固定を確立する。接着剤又はシーラント５０２８が、キャップ５０１２の左側に示されており、キャップ５０１２とシート５０１１Ｐの間の結合部を封止する。このシーラント５０２８は、典型的には、キャップ５０１２の全周に塗布されるであろうが、説明上、ファスナ５０１０の左側にのみ示されている。
【0158】
図７５は、本発明の別の実施形態に基づくファスナ５１１０を示しており、当該ファスナは、第２の層５１１３への溶接のために第１の層５１１１のパイロットホール５１１０Ｈを通して挿入されている。図７５は、溶接する前に、電極５１１５と電極５１１７の間に配置された、ファスナ５１１０、第１及び第２の層５１１１、５１１３からなるスタック５１３０を示す。パイロットホール５１１０Ｈは、座ぐりをされた部分５１１０ＨＣを有しており、溶接が完了すると、ファスナ５１１０のキャップ５１１２は、上面５１１１ＵＳとほぼ面一になる。様々な座ぐり部分５１１０ＨＣを有する様々な形状のパイロットホール５１１０Ｈを用いて、ファスナ１０乃至５１１０の様々なキャップ１２乃至５１１２が収容されてよい。シート５１１１、５１１３は、座ぐり部分５１１１ＨＣを有するパイロットホール５１１０Ｈを用いてファスナ５１１０を介して接合されており、導電性又は非導電性の上側シート５１１１又は複数の上側シートの何れかを含んでよい。
【0159】
図７６は、本開示の別の実施形態に基づくファスナ５２１０を示しており、当該ファスナは、第２の層５２１３への溶接のために第１の層５２１１Ｄに形成されたパイロットホール５２１０Ｈを通って挿入されている。層５２１１Ｄは、その表面にコーティング５２１１Ｄ１を有しており、それは、塗料の層、接着剤、又は金属化されたコーティングであってよい。主要部分５２１１Ｄ２は、プラスチックとして示されているが、代わりに、セラミック、プラスチック複合材、ガラス又はプラスチックラミネートのような任意の非導電性材料であってよい。層５２１１Ｄ２はまた、アルミニウム、マグネシウム又は鋼のような導電性材料であってよく、塗料や接着剤、プライマー、防錆コーティング、陽極酸化層などの耐腐食性コーティング／層のような非導電性コーティング５２１１Ｄ１でコーティングされてよい。代替例では、パイロットホールが塗料を通って延びて、ファスナ５２１０と層５２１３の間の電気的接触を可能にするならば、導電性塗料の追加の層や接着剤等が表面５２１１ＤＳ、即ち中間層５２１１Ｄ及び中間層５２１３に設けられてよい。更に別の代替例においては、開口又は空領域がシート５２１３にあって、ファスナ５２１０がシート５２１３と電気的接触を確立することを可能にするならば、層５２１３は、非導電性又は塗料層の中間層５２１１Ｄ及び中間層５２１３でコーティングされてよい。図７６に示す手法は、層５２１３に接合される層５２１１Ｄが予め塗装されている産業、プロセス及び製造業に適用可能である。アルミニウムや鋼などの異種材料を接合する場合、ガルバニック腐食を防止するために、予め塗装しておくのが一般的である。２つのシート５２１１Ｄ、５２１３の一方を組み合わせる前に被覆することを可能にすることは、両方のシートが未被覆又は裸のシートと比較して、腐食保護を増進させるであろう。
【0160】
シート５２１１Ｄを貫通して延びるパイロットホール５２１０Ｈは、ファスナ５２１０が導電層５２１３を通って延びて、導電層５２１３に接合することを可能にする。図７６を参照すると、接合のタイプは、図５９乃至図７２について先述したタイプであってよく、層５２１３よりも高い融点を有するファスナ５２１０、例えば鋼ファスナ５２１０が、例えばアルミニウムからなる層５２１３の中に、電流によって軟化されると打ち込まれる。別の代替例では、層５２１３は、電気抵抗溶接によってそこに固定され得るファスナ５２１０の融点に匹敵する融点を有する導電性材料から作られてよい。前述の手法は、陽極酸化皮膜のような非導電性コーティングで塗装又は被覆された様々な材料を、電気抵抗溶接を用いてファスナ５２１０を介して導電性金属に接合することを可能にする。例えば、スチールファスナ５２１０を使用して、アルミニウム、マグネシウム、チタンから製造された塗装又は非導電被覆層５２１１Ｄが、鋼層５２１３に接合することができる。マグネシウム、スチール、チタンから作られた塗装又は非導電被覆層５２１１Ｄが、複合スチール−アルミニウムファスナ５２１０を使用してアルミニウム層５２１３に接合されてよい。アルミニウム、鋼、チタンから作られた塗装又は非導電被覆層５２１１Ｄが、複合鋼−アルミニウム又はマグネシウムファスナ５２１０を用いてマグネシウム層５２１３に接合されてよい。アルミニウム、鋼又はマグネシウムで作られた塗装又は非導電被覆層５２１１Ｄが、チタンファスナ５２１０を用いてチタン層５２１３に接合されてよい。
【0161】
図７７、図７８、図７９及び図８０は、本発明の代替的な実施形態に基づいたファスナ５３１０、５４１０、５５１０、５６１０の斜視図であり、端部５３１６、５４１６、５５１６、５６１６上に異なる突起５３１６Ｐ、５４１６Ｐ、５５１６Ｐ、５６１６Ｐが夫々示されている。突起５３１６Ｐは、半球状である。３つの突起５３１６Ｐが示されているが、３つより多く又は３つ未満の突起が採用されてよいであろう。半球状突起５３１６Ｐは、溶接電極によって表面に押し付けられるとそれらが配置される表面と共に小さな接触領域５３１６ＰＰを形成し、溶接が行われると、突起５３１６Ｐは、下向きの力と、ファスナ５３１０を流れる電流に関連した抵抗加熱とを集中させる。つまり、ファスナ５３１０を通る力及び電流は、以下でさらに十分に説明するように、突起５３１６Ｐが溶接スタックの第１の層と共に作る小さな接触領域５３１６ＰＰを通過せざるを得ない。半球状突起５３１６Ｐの場合、３個のグループは、基準面を規定し、当該基準面は、溶接の前に、ファスナが押される面に対してファスナ５３１０を方向付けて、その面に対して、所望の方向、例えば、垂直にファスナ５３１０を保持する。図７８に示す突起５４１６Ｐは、円錐の形態であって、鋭い又は平坦な先端５４１６ＰＰを有してよい。図７９は、ファスナ５５１０の端部５５１６から突出したリング状の形態である突起５５１６Ｐを示す。図８０では、突起は、ファスナ５６１０の端部５６１６から突出したボタン５６１６Ｐの形態である。ボタン５６１６Ｐの直径は、端部５６１６の直径に対して選択されてよい。例えば、単一のボタン５６１６Ｐの直径は、０．５乃至１．０ｍｍの範囲であってよく、又は、端部５６１６の下側の３／４までの大きさであってよい。キャップ部分５３１２、５４１２、５５１２、５６１２と、シャフト５３１４、５１４１４、５５１４、５６１４とについては、ファスナ５３１０、５４１０、５５１０、５６１０は、例えば、図１４Ａ、１７Ａ−２０、２８−３７において上述したものと同様である。しかしながら、本明細書に開示された任意のファスナ、例えば１０、２０、３０乃至５６１０は、突起５３１６Ｐ、５４１６Ｐ、５５１６Ｐ、５６１６Ｐのような突起を組み込むことができることは明らかである。特定の用途に対して、突起５３１６Ｐ、５４１６Ｐ、５５１６Ｐ、５６１６Ｐは、以下のような滑らかな又は丸みを帯びた端部に対して利点を提供することができる。i）より大きな単一の接触面積を有するファスナと比較して、より低い電流で溶接を開始できること。ii）低い電流は、全体的な接合熱を減少させて、高強度合金がより良好な機械的特性及び腐食特性を維持することを可能にする。iii）突起５３１６Ｐ、５４１６Ｐ、５５１６Ｐ、５６１６Ｐはまた、より低いプロセス電流がファスナ５３１０、５４１０、５５１０、５６１０の熱を下げることから、プラスチックや複合材料を金属に接合するのを容易にする。ファスナに過度の熱を発生させる締結工程は、複合材中の樹脂を損傷させることがある。iv）例えば図１のファスナ１０のような、滑らかで丸みを帯びた端部１６を有するファスナと比較して、突起５３１６Ｐ、５４１６Ｐ、５５１６Ｐ、５６１６Ｐは、例えば層１１の表面のような、それが配置される表面との位置決めをファスナが改善することを可能にする。v）例えば図７８に示す５４１６ＰＰのような、尖った端部を有する突起を使用することで、最初の取付け中に、スタックの非導電性コーティング（塗料、ｅ−コート、粉体コート、転化コーティングやポリマーフィルム）を突き破り／穿孔して、スタックの下地金属との電気的接触を確立して、加熱、貫入及び溶接を開始することができる。随意選択的に、ファスナ５３１０、５４１０、５５１０、５６１０は、パイロットホール（５０１０Ｈ）の有無に拘わらず、例えば図５４の層１１又は図７４の層５０１１Ｐのように、接合されるシート／材料の層と共に使用されてよく、用途や接合する材料に応じて、鋼、チタン、インコネル、銅、アルミニウム又はマグネシウムのような様々な材料で作られてよい。
【0162】
図８１は、図７８のファスナと同様な一対のファスナ５４１０Ａ、５４１０Ｂの概略的な断面図を示しており、それらは、直列溶接の初期ステージにて、第１の金属層５４１１と第２の金属層５４１３を伴うスタックＳ４上に載置されている。２つのファスナ５４１０Ａ、５４１０Ｂは、直列溶接の最中に同じサイクルの間にてスタックＳ４の同じ側から同時に駆動される。層５４１１が、例えば塗料であるコーティングＣ（破線で示す）を有する場合、下向きの力Ｆ１、Ｆ２が電極１５、１７Ｐに加えられると、ファスナ５４１０ａ、５４１０ｂはシート５４１１上のコーティングＣを突破して、電流Ｉが被覆シート５４１１を通ることを可能にする。ファスナ５４１０Ａ、５４１０Ｂがコーティングを完全に貫通すると、シート５４１１の被覆された底面、即ち下側シート５４１３と接触する面が破壊され、下側シート５４１３に電流を流すことができる。この図では、上側被覆シート５４１１は、アルミニウム又はマグネシウムであってよい。下側シート５４１３は、アルミニウム、マグネシウム、鋼又はチタンであってよい。柔軟性のある層５４１１、５４１３を支持するために、銅、アルミニウム、及び鋼のような様々な材料から作られた支持体５４２４Ｓが設けられてよい。下側層５４１３が部品の幾何学的形状、例えばチューブ又は厚さによって十分に堅牢である場合には、支持体５４１５Ｓは必要とされないであろう。被覆された上側層５４１１及び下側層５４１３を通る電流Ｉは、図８２に示すように、ファスナ５４１０Ａ、５４１０Ｂが上側層５４１１を貫通する際に時間とともに変化する。
【0163】
図８２は、層５４１１，５４１３の２層スタックＳ４に挿入される際における、図７８のファスナ５４１０ａの一連の概略的な断面図を示している。層５４１１は、塗料などの非導電性コーティングＣでコーティングされていても、いなくてもよい。図８２は、図８１のような構成を仮定しており、電流ＩＡ、ＩＢ、ＩＣが流れるピックアップ電極１７Ｐを有しているが、ピックアップ電極１７Ｐは図示を簡単にするために示されていない。ファスナ５４１０ａは、ステージＡに示すように層５４１１上の位置から移動し、ステージＢにて層５４１１を貫入し始め、最後にステージＣで層５４１３に溶接するので、各ステージにおいて、電流レベルにおける対応した変化が存在する。電流レベルＩＡ、ＩＢ及びＩＣは、電極１５とピックアップ電極１７Ｐの間の距離の関数として表現されてよく、ファスナ５４１０ａ及びスタックＳ４を通る経路の関数として表現されてもよい。ステージＡでは、電流ＩＡは、ファスナ５４１０ａの先端を通過し、次に第１層５４１１を通ってピックアップ電極１７Ｐに流れるように制限されている。ステージＢでは、ファスナ５４１０ａのかなり大きな部分が層５４１１と接触するので、ファスナ５４１０ａが層５４１１に貫入することに起因した、ファスナ５４１０ａと層５４１１との接合部を横切る抵抗が減少する。これにより、電流ＩＡに比較して電流ＩＢは増加する。被覆層５４１１の場合、ステージＢで起こる加熱は、層５４１１上のコーティングを破壊するのに十分であって、導電経路が層５４１１と層５４１３の間で開かれて、電流ＩＢの一部が第２層５４１２を通ることを可能にしてよい。これは、それが、第１層５４１１と接触するからである。そして、電流ＩＢは第１の層５４１１を流れるＩＢ１と、第２の層５４１３を流れるＩＢ２という、２つの成分を有する。第１の層は十分な断面積を有し、ファスナ５４１０ａと密接に接触するので、ＩＢ１はＢステージにてＩＢ２よりもかなり大きい。最後に、ファスナ５４１０ａがステージＣにて層５４１３と接触すると、ファスナ５４１０ａと両方の層５４１１、５４１３との間の接触が広がって、結合された電流経路ＩＣ１及びＩＣ２は、電流ＩＣを電流ＩＢよりも大きくする。電流ＩＣ１は、電流ＩＣ２よりも大きいままであるが、電流ＩＣ２は電流ＩＢ２よりも大きくなる。電極１５と取出し電極１７Ｕの間の抵抗は、ステージＡ及びステージＢにて存在する抵抗よりも小さくなるので、溶接部は、ファスナ５４１０ａと層５４１３の結合部に形成される。図８１のような、裏当て５４１５Ｓの使用又は欠落も、ステージＢ及びステージＣでの電流量に影響するであろう。銅や銅合金などの材料で作られた高伝導性支持体５４１５Ｓは、より大きな電流ＩＢ、ＩＣを流す助けになるであろう。支持体が、別の電流経路となり、電流の流れに対する全抵抗を減少させるからである。鋼鉄のような支持体５４１５Ｓの低い導電率は、それほど効果がないであろう。
【0164】
図８３は、ファスナ５４１０ａ、５４１０ｂのような一対のファスナ５８１０ａ、５８１０ｂを有する溶接機構５８００を示しており、それらファスナは、層５８１１、５８１３を有する二層スタックＳ５上に配置されており、一対の溶接ガン／変圧器５８５１、５８５３によって、二層スタックＳ４へと駆動されようとしている。溶接ガン５８５１、５８５３は、それらが接触している層５８１１、５８１３を個別に加熱するために同時に発射され、層５８１１、５８１３通る電流ループＩ１、Ｉ２を夫々駆動する。機構５８００において、溶接ガン５８５１は、図８１及び図８２に示した溶接手法で機能する。即ち、電極１５Ａと電極１７Ａの間で流れる電流ループＩ１は、図８１及び図８２について上述した直列溶接を実行する。溶接ガン５８５３は、層５８１３を加熱して、プロセスを促進するために使用できる。例えば、層５８１１及び／又は層５８１３が１又は複数の表面において非導電性コーティングでコーティングされている場合、層５８１３を加熱することで、コーティングの破壊が促進されて、電流の印加、加熱、貫入及び溶接をより迅速に行うことが可能となる。
【0165】
図８４は、二層スタック５７３０上に配置されており、対向する一対の溶接電極５７１５、５７１７によって駆動されようとしているファスナ５７１０を示す。ファスナ５７１０Ｄは、上述した電気抵抗溶接プロセスによって二層スタック５７３０へと駆動されており、溶接ゾーン５７１０Ｗを生成している。溶接が従来の銅合金電極５７１５、５７１７を用いて行われる場合、例えば１．５ｍｍよりも厚い、非鉄シート５７１１，５７１３の厚いスタック５７３０を溶接すると、溶融／溶接ステージに達するのに過剰な電流が必要になることがある。鋼又はその他の導電性が比較的低い材料の薄いゲージから作られたプロセステープ５７１７Ｔを用いて、電気抵抗と、所定の溶接電流に対して生じる加熱とを増加させることができる。オーストリアのペッテンバッハのＦｒｏｎｉｕｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌから入手できるＤｅｌｔａＳｐｏｔ抵抗溶接ガンのような市販の溶接システムは、プロセステープを供給して取り扱うことができる。プロセステープ５７１７Ｔを使用することで、接合電流を２０ｋＡ以下に保つことができ、これは、従来の鋼の抵抗溶接のための溶接装置によって使用される電流レベルと同程度である。
【0166】
図８５は、カールしたキャップ部分５８１２と直線部分５８１４Ｓを有するシャフト５８１４とを備えたファスナ５８１０を示す。同様に、図８６は、カールしたキャップ部分５９１２と、直線部分５９１４Ｓを有するシャフト５９１４とを有するファスナ５９１０を示す。ファスナ５８１０とファスナ５９１０を比較すると、直線部分５８１４Ｓと直線部分５９１４Ｓの長さが異っているので、ファスナ５８１０、５９１０のグリップ範囲に差が生じている。より長い直線部分５９１４Ｓはより長いグリップ範囲を提供するので、より厚いスタックに接合するために使用できる。直線部分５８１４Ｓ、５９１４Ｓをシャフト５８１４、５９１４に夫々組み込むことの１つの利点は、個々のファスナ５８１０、５９１０を製造するための工具をより簡単にすることを可能にする点にある。より詳細には、図１５及び図１６と似たような工具及びダイ装置は、キャップ部分５８１２，５９１２を成形するために使用される第１の部分と、シャフト５８１４、５９１４を成形するために使用される第２の部分とを有する複合ダイを用いることができる。ファスナ５８１０、５９１０のキャップ部分５８１２、５９１２は同じなので、工具は、キャップ部分５８１２、５９１２に同じダイ部分を使用することができ、直線部分５８１４Ｓ、５９１４Ｓを成形するために使用されるダイ部分は、特有のものである必要があろう。
【0167】
図８７は、本発明の別の実施形態に基づくファスナ６０１０を示しており、当該ファスナは、キャップ部６０１２を補強する複数のリブ６０１２Ｒを特徴としている。リブ６０１２Ｒは、特定の用途についてキャップ部分６０１２の可撓性及び変形可能性を制御するために、選択された厚さ及び幅で形成されてよい。リブ６０１２Ｒはまた、接合部の捻れ又は回転に対する抵抗を提供できる。ある例では、リブ６０１２Ｒは、上向きの材料５７１１Ｕ（図８４参照）と相互作用して、回転を防止してよい。また、シャフト６０１４は、真っ直ぐなシャフト部分６０１４Ｓを特徴としている。
【0168】
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。例えば、端部突出部５４１６を有するファスナ５４１０ａは、アルミニウム又はマグネシウム合金の２つのシートの固定に使用するファスナ４４１０（図５９）における溝４４１４Ｇのようなグリップ機構を備えていてよい。そのような全ての変形及び変更は、本発明と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】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】
【図40】
【図41】
【図42】
【図43】
【図44A】
【図44B】
【図45】
【図46】
【図47】
【図48】
【図49】
【図50】
【図51】
【図52A】
【図52B】
【図53】
【図54】
【図55】
【図56】
【図57A】
【図57B】
【図57C】
【図58】
【図59】
【図60】
【図61A】
【図61B】
【図62】
【図63】
【図64】
【図65】
【図66】
【図67】
【図68】
【図69A】
【図69B】
【図69C】
【図70】
【図71】
【図72】
【図73】
【図74】
【図75】
【図76】
【図77】
【図78】
【図79】
【図80】
【図81】
【図82A-82C】
【図83】
【図84】
【図85】
【図86】
【図87】