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特許6907306事前形成穴なしで少なくとも１つの構成要素を第２の構成要素に接合する方法
(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】6907306
(24)【登録日】2021年7月2日
(45)【発行日】2021年7月21日
(54)【発明の名称】事前形成穴なしで少なくとも１つの構成要素を第２の構成要素に接合する方法
(51)【国際特許分類】
B21J 15/00 20060101AFI20210708BHJP
F16B 5/08 20060101ALI20210708BHJP
F16B 5/02 20060101ALI20210708BHJP
F16B 5/04 20060101ALI20210708BHJP
【ＦＩ】
B21J15/00 V
B21J15/00 U
F16B5/08 B
F16B5/08 Z
F16B5/08 A
F16B5/02 V
F16B5/04 Z
【請求項の数】15
【全頁数】19
(21)【出願番号】特願2019-516492(P2019-516492)
(86)(22)【出願日】2017年9月26日
(65)【公表番号】特表2019-530580(P2019-530580A)
(43)【公表日】2019年10月24日
(86)【国際出願番号】EP2017074408
(87)【国際公開番号】WO2018055210
(87)【国際公開日】20180329
【審査請求日】2020年7月13日
(31)【優先権主張番号】102016118109.9
(32)【優先日】2016年9月26日
(33)【優先権主張国】DE
(73)【特許権者】
【識別番号】504075577
【氏名又は名称】ニューフレイ リミテッド ライアビリティ カンパニー
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100067013
【弁理士】
【氏名又は名称】大塚 文昭
(74)【代理人】
【識別番号】100086771
【弁理士】
【氏名又は名称】西島 孝喜
(74)【代理人】
【識別番号】100109335
【弁理士】
【氏名又は名称】上杉 浩
(74)【代理人】
【識別番号】100120525
【弁理士】
【氏名又は名称】近藤 直樹
(74)【代理人】
【識別番号】100139712
【弁理士】
【氏名又は名称】那須 威夫
(72)【発明者】
【氏名】メシュット ゲルソン
(72)【発明者】
【氏名】ライス クリスティアン
【審査官】
石田 宏之
(56)【参考文献】
【文献】
特表２００４−５１６１４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２０１７−５０３６６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１６−５５２９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１３−２５２５４０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｂ２１Ｊ １５／００
Ｆ１６Ｂ ５／０２
Ｆ１６Ｂ ５／０４
Ｆ１６Ｂ ５／０８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
事前形成穴なしで少なくとも１つの構成要素（１）を第２の構成要素（２）に接合する方法であって、
ａ．高強度材料製である第１構成要素（１）と、第２の構成要素（２）とを、少なくとも部分的に一方が他方の上に配置される状態で準備するステップと、
ｂ．接合装置と補助接合要素（７）とを準備するステップと、
ｃ．前記接合装置によって前記第１の構成要素（１）に向かって接合軸（４）に沿って駆動されて、最初に事前形成穴のない接合区域の領域内で前記第１の構成要素（１）を通り抜け、次いで事前形成穴のない接合区域の領域内で前記第２の構成要素（２）に達するようにされた前記補助接合要素（７）によって、前記第１及び第２の構成要素を互いに接合するステップと、
を含み、
接合に先立って、前記接合区域の領域内の前記第１の構成要素（１）が、一方で前記第１の構成要素（１）と他方で前記接合要素上に設けられた電極（３）との間に形成される電気アーク（９）によって、前記第１の構成要素（１）の前記接合区域上に熱影響域（１０）が形成されるように熱処理され、前記第１の構成要素（１）が、前記熱影響域（１０）内の前記第１の構成要素（１）の強度が低下するように加熱される
ことを特徴とする方法。
ａ．高強度材料製である第１構成要素（１）と、第２の構成要素（２）とを、少なくとも部分的に一方が他方の上に配置される状態で準備するステップと、
ｂ．接合装置と補助接合要素（７）とを準備するステップと、
ｃ．前記接合装置によって前記第１の構成要素（１）に向かって接合軸（４）に沿って駆動されて、最初に事前形成穴のない接合区域の領域内で前記第１の構成要素（１）を通り抜け、次いで事前形成穴のない接合区域の領域内で前記第２の構成要素（２）に達するようにされた前記補助接合要素（７）によって、前記第１及び第２の構成要素を互いに接合するステップと、
を含み、
接合に先立って、前記接合区域の領域内の前記第１の構成要素（１）が、一方で前記第１の構成要素（１）と他方で前記接合要素上に設けられた電極（３）との間に形成される電気アーク（９）によって、前記第１の構成要素（１）の前記接合区域上に熱影響域（１０）が形成されるように熱処理され、前記第１の構成要素（１）が、前記熱影響域（１０）内の前記第１の構成要素（１）の強度が低下するように加熱される
ことを特徴とする方法。
【請求項2】
前記第１の構成要素（１）の前記熱影響域（１０）は、前記電気アーク（９）によって溶融することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記電気アーク（９）は、前記接合軸（４）のまわりに環状に形成されることを特徴とする、請求項１〜請求項２のいずれかに記載の方法。
【請求項4】
前記電気アーク（９）は、前記補助接合要素（７）の外側部を囲むことを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の方法。
【請求項5】
前記第１の構成要素の熱処理の間、前記接合装置上に配置された保護ガスノズル（６）を介して保護ガスが提供され、前記保護ガスノズル（６）は、環状であり、及び／又は前記第１の構成要素（１）に距離を置いて面する開口部を備えることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の方法。
【請求項6】
前記補助接合要素（７）は、接合ポンチ（５）を介して前記接合軸（４）に沿って作動されることを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれかに記載の方法。
【請求項7】
前記接合ステップの間、前記補助接合要素（７）を前記接合軸（４）のまわりで回転させることを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の方法。
【請求項8】
前記接合ステップの間、前記接合区域の領域内で前記第２の構成要素（２）にダイ（１２）が押し付けられ、前記ダイ（１２）は、前記補助接合要素（７）と同軸に配置されることを特徴とする、請求項１〜請求項７のいずれかに記載の方法。
【請求項9】
前記電極（３）は、ディスポーザブル電極（３）であり、前記ディスポーザブル電極（３）は、前記接合ステップの後、前記第１及び／又は前記第２の構成要素（１、２）に当接するように前記補助接合要素（７）によって保持されることを特徴とする、請求項１〜請求項８のいずれかに記載の方法。
【請求項10】
前記補助接合要素（７）は、前記第２の構成要素（２）を貫通して案内されることを特徴とする、請求項１〜請求項９のいずれかに記載の方法。
【請求項11】
前記補助接合要素（７）は、前記第２の構成要素（２）内で変形し、特に前記接合軸（４）に対して半径方向外方に曲がることを特徴とする、請求項１〜請求項９のいずれかに記載の方法。
【請求項12】
前記熱影響域（１０）の領域が冷却され、一方で前記補助接合要素（７）と他方で前記第１の構成要素（１）及び／又は前記第２の構成要素（２）との間に一体接合接続部が形成されることを特徴とする、請求項１〜請求項１１のいずれかに記載の方法。
【請求項13】
前記補助接合要素（７）の外側部は、パターンを備え、その結果、一方で前記第１の構成要素（１）及び前記第２の構成要素（２）と他方で前記補助接合要素（７）との間に摩擦係合接続及び／又は噛合い接続が生成されるように、前記第１の構成要素（１）及び／又は前記第２の構成要素（２）の前記熱影響域（１０）の領域内で前記接合ステップの間にグリッピングがもたらされることを特徴とする、請求項１〜請求項１２のいずれかに記載の方法。
【請求項14】
前記接合ステップに先立って、前記第２の構成要素（２）は、前記第２の構成要素（２）の熱影響域（１０’）内で電気アーク（９’）によって加熱され、ここで前記電気アーク（９’）は、前記第２の構成要素（２）の前記熱影響域（１０’）内で前記第２の構成要素（２）の強度が低下するように及び／又は前記第２の構成要素（２）が前記熱影響域（１０’）内で溶融するように、前記第２の構成要素（２）と更なる電極（３’）とによって点火されることを特徴とする、請求項１〜請求項１３のいずれかに記載の方法。
【請求項15】
前記第１の構成要素（１）に関連付けられた前記電極（３）と、前記第２の構成要素（２）に関連付けられた前記更なる電極（３’）とが、同軸に配置され及び／又は互いに対向して配置されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、接合前に構成要素内に事前形成（例えば事前穿孔又は事前打抜き）される１つ又は複数の穴なしで、少なくとも１つの構成要素を第２の構成要素に接合する方法に関する。より具体的には、本発明は、接合装置によって接合軸に沿って第１の構成要素に向かって動かされて、最初に事前形成穴のない接合区域の領域内で第１の構成要素を通り抜け、次いで事前形成穴のない接合区域の領域内で第２の接合要素に達するようにされた補助接合要素を用いて、第１及び第２の構成要素を接合する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
技術の現状では、通常の材料、例えば普通の強度の通常の鋼で作られた２つの構成要素を事前形成穴なしで接合する方法が、例えば、クリンチング、抵抗溶接、打ち込みリベット留め、又は、直接的なねじ込みなどにより知られている。しかしながら、この場合の接合装置における最大力は弱く、どんな種類の材料でも穿通し若しくは貫入することができるわけではなく、また接合要素の強度が十分ではない場合もあるので、事前形成穴なしで構成要素を接合する方法は、通常の強度の構成要素に限定されている。
【0003】
近年、特に自動車産業において、自動車燃料消費の経済性並びに自動車の衝突の際の搭乗者の安全性に対する要求が増すにつれて、高強度材料の使用が徐々に増加している。
【0004】
特許文献１は、構成要素のうちの一方が非常に高い剛性を有する高強度材料で作られた２つの構成要素の接合方法を開示している。この種の高強度材料は、現今、典型的には自動車技術において、受動的安全性が高くかつ衝突試験で良好な性能を有する軽量組立体を提供するために用いられている。その典型的な材料としては、例えば、強度が凡そ１５００ＭＰａの２２ＭｎＢ５がある。特許文献１で開示された接合方法は、高強度材料と電極との間に生成された電気アークによって事前穴を形成し、この事前穴を通して補助接合部品を案内し、これを第２の構成要素に接続することによって、２つの構成要素を接合することを含む。この方法は満足できるものではあるが、穴を事前打抜きするか、又は事前形成するステップは時間がかかるものであり、かつ、穴を形成するステップと構成要素を接合するステップとの間に、２つの構成要素の相対的な位置が変位する恐れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】独国特許出願公開第１０ ２０１６ １１５ ４６３．６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の目的は、穴を事前形成することなく２つの構成要素を接合するための接合方法であって、穴を事前形成することなく又は事前打抜きすることなく、少なくとも１つの高強度材料の構成要素を第２の構成要素に接続することができるような接合方法を開発することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
従って、本発明は、事前形成穴なしで少なくとも１つの構成要素を第２の構成要素に接合する方法であって、ａ．高強度材料製である第１の構成要素と、第２の構成要素とを、少なくとも部分的に一方が他方の上に配置される状態で準備するステップと、
ｂ．接合装置と補助接合要素とを準備するステップと、
ｃ．該接合装置によって該第１の構成要素に向かって接合軸に沿って動かされて、最初に事前形成穴のない接合区域の領域内で第１の構成要素を貫通し、次いで事前形成穴のない接合区域の領域内で第２の構成要素に達するようにされた補助接合要素によって、第１及び第２の構成要素を互いに接合するステップと、
を含み、
接合に先立って、接合区域の領域内における第１の構成要素が、一方で第１の構成要素と他方で接合要素上に設けられた電極との間に形成される電気アークによって、第１の構成要素の接合区域上に熱影響域が形成されるように熱処理され、第１の構成要素が、該熱影響域内において第１の構成要素の強度が低下するように加熱されることとを特徴とする、方法を提供する。
【0008】
このように、第１の構成要素と第２の構成要素との間の接続の前に、第１の構成要素は、一方で第１の構成要素と他方で接合要素上に設けられた電極との間に形成された電気アークによって、いずれにしても第１の構成要素上の接合区域内に熱影響域が形成されるように接合区域の領域内で局所的に熱的事前処理され、この熱影響域内で第１の構成要素が加熱され、熱影響域内の第１の構成要素の強度が低下するように、及び／又は、第１の構成要素が熱影響域で溶融するようになる。この方法は、第１及び第２の構成要素が互いに関して位置決めされるようにして行われる。本発明による方法は、片側からのアクセスで実行可能である。それゆえ、２つ以上の構成要素の接合は、接合部の両側からのアクセスを必要としない。第２の構成要素は、分離されない。異なる材料を互いに接合することができる。例えば、第１の構成要素は鋼製、第２の構成要素はアルミニウム製であってもよく、又はその逆であってもよい。補助接合要素は、種々の材料製とすることができる。
【0009】
熱影響域又は接合ゾーン若しくは接合区域内で高強度材料製の第１の構成要素の強度が選択的に低下するので、これは、第１の構成要素及び随意付加的に第２の構成要素内に事前穴を形成することを必要とせず、及び／又は接合力を許容できないほど高くすることなく、第１の構成要素を通して補助接合要素を案内することができ、これを第２の構成要素に接続することができるという利点を提供する。このことにより、この方法の固有の部分として、特に穴の事前穿孔又は打抜きのプロセスステップが割愛され、事前打抜き部の作成と構成要素の接続との間で構成要素の位置が変化することが防止されるので、接合プロセスが単純化される。例えば、くぎ、ボルト、半中空ポンチリベット又はＦＤＳねじを補助接合要素として用いることができる。
【0010】
本発明の文脈において、室温での強度が少なくとも６００ＭＰａの場合、高強度材料という。
【0011】
本発明の意味における電気アークは、移動型電気アーク又は非移動型電気アーク（プラズマジェット）とすることができる。好ましい実施形態において、電気アークは、接合軸のまわりに環状に形成される。
【0012】
好ましい実施形態において、電気アークは、補助接合要素の外側部を囲む。例えば、補助接合要素は、円筒形本体を備え、電気アークは、円筒形本体を少なくとも部分的に取り囲む。
【0013】
好ましい実施形態において、第１の構成要素の熱処理の間、接合装置上に配置された保護ガスノズルを介して保護ガスが供給される。保護ガスは、電気アークを生成するために用いられる。保護ガスは、（非消耗）電極及び／又は溶融物を酸化の影響から保護する。
【0014】
好ましい実施形態において、保護ガスノズルは、環状であり、及び／又は第１の構成要素に距離を置いて面する開口部を含む。例えば、保護ガスノズルは、電気アーク又は電極を囲む。
【0015】
好ましい実施形態において、補助接合要素は、接合ポンチを介して接合軸に沿って駆動される。このとき熱影響域内で第１の構成要素の十分な軟化又は溶融が得られているならば、補助接合要素は、接合ポンチを介して熱影響域内に導入される。
【0016】
好ましい実施形態において、接合ステップの間、補助接合要素を接合軸のまわりで回転させる。
【0017】
好ましい実施形態において、接合ステップの間、接合区域の領域内で第２の構成要素にダイが押し付けられる。ダイを第２の構成要素に押し付けることによって、接合プロセスの間の第１の構成要素及び／又は第２の構成要素の変形を有利に防止することができる。ダイは、これに関連して、接合プロセスの間に接合スタンプを介して補助接合部分に及ぼされる接合力を吸収する。
【0018】
好ましい実施形態において、ダイは、補助接合要素と同軸に配置される。
【0019】
好ましい実施形態において、電極は、ディスポーザブル電極である。例えば、電極は、環状電極である。電極は、非消耗電極であってもよく、これは数回再使用することができる。
【0020】
電極は、第１の構成要素の上方、かつ構成要素の接続が意図された接合区域の上方に配置することができる。補助接合要素は、非消耗電極内で送られ、接合軸方向で調整可能な接合スタンプ又はポンチの下に固定される。接合スタンプは、特に並進直線運動、及び随意的付加的に回転運動を行うことができる。接合プロセスの間に両方の運動を重ね合わせることができる。
【0021】
電気アークは、上方の構成要素（又は第１の構成要素）と非消耗（又はディスポーザブル）電極との間で点火される。特に、電極構成要素間で燃焼するプラズマアーク（プラズマジェット）が提供される。第１の構成要素が電気回路の一部ではない無移送電気アークを組み込むこともできる。電気アークを介して第１の構成要素に供給される熱エネルギーは、第１の構成要素の強度（及び随意に第２の構成要素の強度）を低下させるように、第１の構成要素（及び随意に第２の構成要素）を加熱する。例えば、熱影響域内の第１の構成要素上で局所的に溶融物を生成させることができる。
【0022】
好ましい実施形態において、ディスポーザブル電極は、接合ステップの後、第１及び／又は第２の構成要素に当接するように補助接合要素によって保持される。
【0023】
好ましい実施形態において、補助接合要素は、第２の構成要素を貫通して案内される。あるいは、補助接合要素は、第２の構成要素内に案内されるが第２の構成要素を貫通しないようにすることができる。
【0024】
好ましい実施形態において、補助接合要素は第２の構成要素内で変形する。特に、補助接合要素は、接合軸に対して半径方向外方に曲がる。補助接合要素の成形及び曲がりに起因して、特に２つの構成要素のシームレスな接続が補助接合要素によって生成される。
【0025】
好ましい実施形態において、熱影響域の領域が冷却され、一方で補助接合要素と他方で第１の構成要素及び／又は第２の構成要素との間に一体接合接続が形成される。
【0026】
好ましい実施形態において、補助接合要素の外側部は、パターンを備え、その結果、一方で第１の構成要素及び第２の構成要素と他方で補助接合要素との間に摩擦係合接続及び／又は噛合い接続が生成されるように、第１の構成要素及び／又は第２の構成要素の熱影響域の領域内で接合ステップの間にグリッピングがもたらされる。パターンは、アンダーカットとすることができる。例えば、補助接合要素及び第１の構成要素は、溶接、欠陥のはんだ付け又は合金相（ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ ｐｈａｓｅ）によって、一体結合するように冶金学的に接続される。
【0027】
好ましい実施形態において、接合ステップに先立って、第２の構成要素は、第２の構成要素の熱影響域内で電気アークによって加熱され、ここで電気アークは、第２の構成要素の熱影響域内で第２の構成要素の強度が低下するように及び／又は第２の構成要素が熱影響域内で溶融するように、第２の構成要素と更なる電極とによって点火される。
【0028】
一方で第１の構成要素に関連付けられた電極と、他方で第２の構成要素に関連付けられた更なる電極とを設けることによって、事前打抜きなしで２つの高強度構成要素を有利に接続することができる。この目的で、２つの構成要素の各々が熱影響域内で加熱され、加熱の結果として両方の構成要素の強度が局所的に低下し又は溶融物が局所的に生成され、その結果、小さい力の印加で補助接合要素を第１の構成要素を貫通して案内することができ、これを第２の構成要素に接続することができる。この点に関して、補助接合要素は、第２の構成要素を貫通して案内することもでき、又は第２の構成要素を貫通することなく第２の構成要素の中に案内することもできる。
【0029】
第１の構成要素の強度の低下に加えて第２の構成要素も加熱した場合、第２の構成要素の強度が低下し、補助接合要素を導入するために印加する力を更に低減することができ、その結果、特にプロセスを加速することができ又はサイクルタイムを増大することができ及び／又は接合力を低減することができる。
【0030】
好ましい実施形態において、第１の構成要素に関連付けられた電極と、第２の構成要素に関連付けられた更なる電極とが同軸に配置され、及び／又は互いに対向して配置される。
【0031】
好ましい実施形態において、一方で電極と第１の構成要素との間の電気アークと、他方で更なる電極と第２の構成要素との間の電気アークとが、特に同時に又は時間が重複するように点火される。補助接合要素は、第１の電気アーク及び第２の電気アークが点火及び／又は消火されている間に、接合ポンチによって動かすことができ、又は第２の構成要素に接合することができる。
【0032】
ひとたび接合ポンチが補助接合要素をその終端位置（すなわち、第１及び第２の構成要素の接合が行われ得る位置）にもってくると、その後に非消耗電極（非消耗電極が用いられている場合）及び接合ポンチの戻り行程が続く。熱影響域は冷却され、材料はその高強度を回復する。補助接合要素を介した第２の構成要素に対する第１の構成要素の接続が最終的に生成される。
【0033】
本発明によれば、第１の構成要素の加熱と補助接合要素の導入とが時間的に重複すること又は逐次的に行われることを規定することができる。
【0034】
本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して非限定的な例として提供される以下の実施形態の説明から容易に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0035】
【図1】第１の構成要素及び第２の構成要素が配置され、第１の構成要素に面した補助接合要素が接合装置によって保持された、本発明の第１の実施形態による方法の第１のステップを示す。
【図2】第１の構成要素と電極との間に電気アークがもたらされた、第１の実施形態による方法の第２のステップを示す。
【図3】補助接合要素が第１の構成要素に貫入した、第１の実施形態による方法の第３のステップを示す。
【図4】接合装置が第１及第２の構成要素から距離を置き、電極が補助接合要素に付着した状態でとどまっている、第１の実施形態による方法の第４のステップを示す。
【図5】第１の構成要素及び第２の構成要素が配置され、補助接合要素が電極を備えた接合装置によって保持された、本発明の第２の実施形態による方法の第１のステップを示す。
【図6】第１の構成要素と電極との間に電気アークがもたらされた、第２の実施形態による方法の第２のステップを示す。
【図7】補助接合要素が第１の構成要素に貫入した、第２の実施形態による方法の第３のステップを示す。
【図8】接合装置が第１及第２の構成要素から距離を置き、第１及び第２の構成要素間の接合が行われた、第２の実施形態による方法の第４のステップを示す。
【図9】補助接合要素が自己穿孔式リベットであり、ダイを設けた、本発明の第３の実施形態による方法の第１のステップを示す。
【図10】第１の構成要素と電極との間に電気アークがもたらされた、第３の実施形態の第２のステップを示す。
【図11】補助接合要素が第１の構成要素に貫入した、第３の実施形態の第３のプロセスステップを示す。
【図12】補助接合要素が第２の構成要素に貫入して第２の構成要素内で変形した、第３の実施形態の第４のプロセスステップを示す。
【図13】２つの電気アークを発生させる、本発明の第４の実施形態による方法の第１のステップを示す。
【図14】第２の構成要素にダイが押し付けられた、第４の実施形態の第２のステップを示す。
【図15】接合が行われた、第４の実施形態の第３のプロセスステップを示す。
【図16a】溶接接続が提供される、本発明による接合方法の実施形態を示す。
【図16b】溶接接続が提供される、本発明による接合方法の実施形態を示す。
【図16c】溶接接続が提供される、本発明による接合方法の実施形態を示す。
【図16d】溶接接続が提供される、本発明による接合方法の実施形態を示す。
【図16e】溶接接続が提供される、本発明による接合方法の実施形態を示す。
【図17a】はんだ接続が提供される、本発明による接合方法の実施形態を示す。
【図17b】はんだ接続が提供される、本発明による接合方法の実施形態を示す。
【図17c】はんだ接続が提供される、本発明による接合方法の実施形態を示す。
【図17d】はんだ接続が提供される、本発明による接合方法の実施形態を示す。
【図17e】はんだ接続が提供される、本発明による接合方法の実施形態を示す。
【図18a】別のはんだ接続が提供される、本発明による接合方法の別の実施形態を示す。
【図18b】別のはんだ接続が提供される、本発明による接合方法の別の実施形態を示す。
【図18c】別のはんだ接続が提供される、本発明による接合方法の別の実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【0036】
異なる図面上で同じ符号は同一又は類似の要素を示す。
【0037】
図１から図１５は、第１及び第２の構成要素１、２を補助接合要素７で一緒に接合する方法を行うように適合された接合装置Ｄを示し、第１の構成要素は高強度材料、例えば高強度鋼、又は炭素繊維補強材料のような他の高強度材料で作られている。
【0038】
接合装置Ｄは、図１から図４で見てとれるように、電気アークを生じさせるように設計された電極３を含む。接合装置Ｄは、接合を行うために第１及び第２の構成要素１、２に向かって補助接合要素７を駆動する又は作動させるように適合された接合ポンチ５を更に含む。電極３は、環状電極３とすることができる。接合ポンチ５及び電極３は、両方とも接合軸４に対して同軸に配置することができる。接合装置に保護ガスノズルを設けることができる。ガイド８を設けて、補助接合要素７を接合装置内で、例えば接合軸４に沿って案内することもできる。保護ガスノズル６及びガイド８は、接合軸４に対して同軸に配置することができる。
【0039】
あるいは、電極３は、接合軸に対してオフセットして配置することができる。より具体的には、電極は、第１の端部と第２の端部との間で電極軸に沿って延び、電極軸と接合軸とは角度を形成し、その角度は例えば１０度と８５度との間である。電極の第２の端部は、接合区域の近傍に配置され、電極は、第１の構成要素を加熱するように適合されるが、接合ポンチと同軸ではなく、接合ポンチの行程を妨げないようになっている。
【0040】
電極３はまた、接合軸と直交する回転軸のまわりで回転するように可動に配置することもできる。例えば、電極は、第１のセグメント及び第２のセグメントを含み、第１のセグメントと第２のセグメントとが非ゼロの角度を形成し、電極がエルボー形を有するようになっている。第１の構成要素に面するように適合された電極の自由端が第２のセグメント上に設けられ、回転接続部が第１のセグメント上に設けられる。第１のセグメントを、第１の構成要素１の熱的事前処理を行うために例えば補助接合要素のすぐ下で接合軸に対して実用的に（ｓｅｎｓｉｂｌｙ）同軸に配置することができ、次いで、補助接合要素及び／又は接合ポンチの行程を邪魔しないように電極を回転させることができる。例えば、アクチュエータを用いて電極を移動させることができ、又は、補助接合要素を第１の構成要素１に向かって並進させるときに接合ポンチの行程から電極を押しやるように適合されたボディを接合装置に設けることができる。
【0042】
第１のステップにおいて、図１に示すように、補助接合要素７は接合ポンチ５に固定される。電極３、補助接合要素７及び接合ポンチ５は、第１の構成要素１の上方に非ゼロの距離で配置される。第１及び第２の構成要素には、補助接合要素７を受けるように適合されたいかなる事前穴も設けない。第１の構成要素及び／又は第２の構成要素１、２は、例えば高強度鋼製である。
【0043】
補助接合要素７による第１及び第２の構成要素１、２の接合を行うために、最初に第１の構成要素１と電極３との間で電気アーク９を点火する（図２参照）。電気アーク９は、第１の構成要素１上の接合区域内に熱影響域１０を形成する。換言すれば、熱影響域１０が加熱され、加熱の結果として、構成要素１の強度が低下する。例えば、溶融物が形成される。電気アーク９は、具体的には、保護ガスノズル６を介して供給される保護ガス（図示せず）の影響下で生じる。保護ガスは、熱影響域１０内の電極３又は溶融物を酸化の影響から保護することができる。
【0044】
図３に示される次のステップにおいて、電極は、第１の構成要素１に当接して配置され、補助接合要素７は、接合ポンチ５を介して電極３によって直線運動で案内され、次いで第１の構成要素１を貫通して第２の構成要素２に向かって押される。より具体的には、補助接合要素７は、第１及び第２の構成要素１、２に向かって、例えばアクチュエータによって接合軸４に沿って動かされ、最初に第１の構成要素に貫入し、その後で第２の構成要素２に貫入する。あるいは、補助接合要素７は、接合軸に沿って並進するともにその接合軸４のまわりで回転するように案内されてもよい。第１の構成要素１は、前述のように高強度材料で作製されている。第１の構成要素の接合区域は、以前に開示したように、熱影響域１０の領域内でその強度に関して弱められているので、比較的低い接合力で補助接合要素７を押して第１の構成要素１を貫通させることができる。
【0045】
この第１の実施形態において、電極３は、ディスポーザブル電極３の形態で設計される。ディスポーザブル電極３は、最初は接合装置の一部であり、次いで接合装置から「解放」され、第１及び第２の構成要素１、２が補助接合要素７によって接合された後、補助接合要素７によって保持される。
【0046】
図４に示されるように、電極は、ひとたび接合が行われると、第１の構成要素１に当接して配置される。接合プロセスの間に作用する力及び温度の結果として、構成要素１とディスポーザブル電極３と（補助接合要素７と）の間に一体結合接続が生じる。
【0047】
補助接合要素にパターンを設けることができる。例えば、複数の周縁の環状溝１１を補助接合要素７上に設ける。環状溝１１は、接続の生成に続いて（すなわち接合に続いて）接合区域の領域内に設けられる。環状溝１１は、完全に又はいずれにしても部分的に第１の構成要素１の材料及び第２の構成要素２の材料で充填されるので、接続の生成及び接合区域内の構成要素１、２の冷却に続いて、第１の構成要素１及び第２の構成要素２の両方と補助接合要素７との間に噛合い接続が生じる。噛合い接続の結果として、非常に良好な保持力、並びに構成要素１，２の安全な接続が生成される。
【0048】
第１の構成要素１及び／又は第２の構成要素２と補助接合要素７との間の噛合い接続に、第１の構成要素１と第２の構成要素２との間、及び／又は第１の構成要素１と補助接合要素７との間、及び／又は第２の構成要素２と補助接合要素７との間の一体結合接続を重ね合わせることができる。
【0049】
特に熱影響域１０及びその縁部領域における一体結合接続の生成に起因して、構成要素１、２及び補助接合要素７の接続を更に改善することができ、その結果、第２の構成要素２に対する高強度構成要素１の接続（接合）が信頼性のあるものになる。それゆえ事前穴は必要とされない。
【0050】
第２の構成要素２と補助接合要素７との間の噛合い接続を促進するために、本発明の別形において、型押しリング（ｅｍｂｏｓｓｉｎｇ ｒｉｎｇ）を設けることができる。型押しリングは、電極３と対向して又は補助接合要素７及び接合ポンチ５と対向して、第２の構成要素２に当接して押し付けられる。型押しリングは、第２の構成要素２と協働するので、接続を生成するとき第２の構成要素２の材料が型押しリングによって局所的に移動し、接合プロセス後に第２の構成要素２の領域内に設けられた環状溝１１が第２の構成要素２の材料で充填される。型押しリングは、例えば接合装置の交換可能な部分として別個に設けること又はダイと一緒に設けることができる。
【0051】
図５から図８は、本発明の第２の実施形態を示す。この実施形態において、補助接合要素７は、接合軸４に沿った又はそのまわりの並進直線運動と回転運動との組合せによって送られる（又は接合装置によって作動される）。電気アーク９は、非消耗電極３として形成された電極３と第１の構成要素１との間で、既知の方法で形成される。電気アーク９は、保護ガスノズル６を介して供給される保護ガスの影響下で「燃焼する」。
【0052】
補助接合要素は、例えば、ＦＤＳねじ等のねじである。補助接合要素７のシャフト上にねじ山が形成され、図８に示すようにねじ山の領域内で補助接合要素７と高強度の第１の構成要素１及び第２の構成要素２との間の噛合い接続が形成される。
【0053】
第２の実施形態において、最初に熱影響域１０の領域内の第１の構成要素１を加熱するために電気アーク９が点火される。更に、電気アーク９は、接合プロセスの間、燃焼する。電気アーク９はこのように点火されている間に、補助接合要素７は、接合軸４に沿って例えば並進直線運動と回転運動との組合せで案内され、最初に第１の構成要素１を貫通し、次いで第２の構成要素２を貫通する。随意的に、電気アーク９は接合プロセスの間、連続的に点火されているのではなく、単に一時的に、特に接合プロセスの開始時に点火されるように規定されてもよい。あるいは、補助接合要素７は、並進方向にだけ案内されてもよい。
【0054】
接合方法の第３の実施形態を図９から図１２に示す。この第３の実施形態では、中空リベット方式で形成された補助接合要素７が第１の構成要素１の反対側のダイ１２と関連付けられる（すなわちダイは第２の構成要素２に面する）。ダイ１２は、第１及び第２の構成要素１、２の接合区域の領域内で第２の構成要素２に当接して配置される。最初に接合の間に非消耗電極３と第１の構成要素１との間に電気アークが生成され、そして熱影響域１０が第１の構成要素１上に形成されると、補助接合要素７は、接合ポンチ５を介して第２の構成要素２に向かう更なる運動によって、高強度の第１の構成要素１を貫通して押され、第２の構成要素２に接続される。
【0055】
補助接合要素７が変形するので、第１の構成要素１と第２の構成要素２との間に補助接合要素７に補助されたシームレスな接続が生じる。
【0056】
より厳密に図１３から図１５に示されている第４の実施形態において、熱影響域１０’は、第１の構成要素１に加えて第２の構成要素２上にも形成される。第２の構成要素２には、熱影響域１０’を形成するために更なる電極３’が関連付けられ、この更なる電極はダイ１２を環状に取り囲む。電極３と第１の構成要素１との間に形成された第１の電気アーク９と、第２の構成要素２と更なる電極３’との間に形成された第２の電気アーク９’とによって、第１の構成要素１及び第２の構成要素２が接合領域内で加熱されるので、構成要素１、２の強度が低下し又は溶融物が形成される。次いで補助接合要素７が接合ポンチ５を介して送られ、第１の構成要素１と第２の構成要素２との間の接続が、特に第２の構成要素２及び補助接合要素７がダイ１２において成形されることによって生成される。電気アーク９、９’は、接続の生成の間、消火される。
【0058】
図１６ａから図１６ｅにおいて、補助接合要素７は、フランジに接続したシャフトを含む。図１６ａで見てとれるように、補助接合要素７は、一体型要素である。シャフトに面したフランジの表面は、環状溝を含む。
【0059】
図１６ｂに示すように、接合区域内の熱影響域１０が加熱され、この区域が弱められる。こうしたステップをここで更に詳述はしないが、熱影響域１０を加熱するために用いられる方法は、図１から図１５を参照して上述した方法と同様である。
【0060】
補助接合要素７のシャフトは、熱影響域１０に貫入し、これを、図１６ｃで見てとれるように第２の構成要素２に接するまで並進させ及び／又は接合軸４のまわりで回転させる。第１の構成要素の材料がフランジに設けられた溝を少なくとも部分的に充填する。
【0061】
次いで補助接合要素７と第２の構成要素２との間に電気コンタクトが配置され、シャフトと第２の構成要素２との間のコンタクト点において両構成要素間に接続又は溶接を生じさせるようにする。
【0062】
図１６ｅは、補助接合要素７による第１及び第２の構成要素１、２の完全な接合を示す。このようにして抵抗溶接接合が設けられる。このようにして抵抗溶接により接合が実現される。
【0063】
図１７ａから図１７ｅにおいて、方法ステップは図１６と同様であるが、補助接合要素７は、中にはんだ材料Ｍを設けた中空シャフトを備える。ひとたび補助接合要素７が第１の構成要素１を貫通して第２の構成要素２に接すると（図１７ｃ参照）、補助接合要素７と第２の構成要素２との間で電気コンタクトが実現され、はんだ材料Ｍが構成要素のはんだ接続を可能にする。
【0064】
図１８ａから図１８ｃにおいて、補助接合要素７は図１７ａで開示したものと同様であるが、電気接続を設けるステップが省かれている。実際、はんだ材料Ｍは、熱影響域１０に貫入しながら溶融すること、及び第２の構成要素２に接することが可能である。換言すれば、熱影響域１０を形成するために電気アークによって提供される熱は、構成要素間のはんだ接合を形成するのに十分である。
【0065】
図１６ｂ、図１７ｂ及び図１８ｂにおいて、補助接合要素７を、より良好に第１の構成要素に貫入して第２の構成要素に接するようにするために、接合軸に沿って並進方向及び接合軸のまわりで回転方向に案内することができる。
【0066】
前述のように、補助接合要素は、ねじ、中空リベットとすることができ、より具体的には、補助接合要素は、第１及び第２の構成要素に貫入するように適合されたシャフトと、第１及び／又は第２の構成要素の表面に載置されるように適合されたフランジとを有するものとすることができる。フランジは、外面と、シャフトに面した内面とを有する。シャフト上と、結局のところ少なくとも部分的にフランジの内面上とに、材料のより良好な貫入を可能にするためにコーティングを設けてもよい。
【0067】
シャフトに、シャフトのフランジに近い断面が遠位断面よりも大きくなるように、一定ではない断面を設けることができる。このことは、シャフトが第１の構成要素に滑らかに貫入することを可能にする。例えばシャフトは実質的に半球形を有するものとすることができる。
【0068】
本発明は、提示した例示的な実施形態に限定されない。当業者は、本発明の核心から逸脱することなく更なる方法の別形を提供することができるであろう。より具体的には、１つの実施形態で説明した特徴を他の実施形態において提供することができる。
【0069】
補助接合要素７は、同じ補助接合要素７を用いて、可変の厚さの２つの構成要素１、２を互いに接続する（多領域接続）こと、及び同じ第１の構成要素１を異なる厚さを有する異なる第２の構成要素２に接続することが可能な長さを有するものとすることができる。
【0070】
補助接合要素７を用いて２つより多くの構成要素を接続することも可能である。この場合、一方の外側構成要素又は両方の外側構成要素を加熱することができる。
【0071】
原則として、電気アーク９、９’は、構成要素の機械的な接続に先立って点火することができ、随意的付加的に補助接合要素７を挿入している間も点火することができる。
【0072】
２つ以上の接合装置を設けて並行して使用して、第１及び第２の構成要素１、２を２つ以上の補助接合要素７で同時に接合することもできる。
【0073】
本発明による方法は、２つ以上の平坦な構成要素の接続に限定されない。原則として、構成要素の幾何学的形状は、広範な限度内で自由に選択することができる。 例として、形材部品（ｐｒｏｆｉｌｅｄ ｐａｒｔ）をシート材料に接続することもでき、又は２つの形材部品を互いに接続することもできる。
【符号の説明】
【0074】
１：第１の構成要素２：第２の構成要素
３、３’：電極
４：接合軸
５：接合ポンチ
６：保護ガスノズル
７：補助接合要素
８：ガイド
９、９’：電気アーク
１０、１０’：熱影響域
１１：環状溝
１２：ダイ
Ｄ：接合装置
Ｍ：はんだ材料