JP2013527804A5 - - Google Patents

Description

摩擦溶接用の接続要素

本発明は、少なくとも２つの板状を呈する上側の部品と下側の部品を接続するための摩擦溶接用の接続要素であって、上側の部品の厚さに合わせて調整された長さを有するマンドレルが上側の部品を貫く際に、心出しおよび案内するための心出し部を有して回転および圧力が加えられる接続要素に関する。

摩擦溶接プロセスは、例えば、ＵＳ−ＰＳ３，４７７，１１５に開示されているように、２つの板状部品を堅固に接続するためにすでに使用されている。
この刊行物は、接続要素を、互いに重ねられた２枚の金属板へと配置し、その後に回転させ、そして上側の部品を貫いて駆動する方法を記載している。
このプロセスにおいて、接続要素の一部であるマンドレルの領域において生じる摩擦熱の結果として、上側の部品が、マンドレルの領域において融解するような程度にまで加熱されることで、マンドレルは、下側の部品の領域まで貫通でき、接続要素の回転の停止後に、固化した上側の部品および下側の部品の材料内にとどまる。
そのとき、前記接続要素に取り付けられたカラーが、前記上側の部品上に位置し、上側の部品および下側の部品が互いに堅固に接続された状態にとどまることを確実にする。

さらには、ＤＥ１０２００９００６７７５Ａ１が、２つの隣接する被加工物、すなわち、実施例に記載の２枚の金属薄板部品を接続するための接続要素を開示している。
特徴として、接続要素または接合要素が、丸みを帯びたマンドレルの形態に形成され、２つの被加工物の接合を向上させるための丸い突起を呈している。
しかしながら、この刊行物には、なぜこの形状が選択されたのかについて、詳しい理由が提示されていない。

すでに、２枚の板状を呈する上側の部品および下側の部品を接続するためのこれらの形状において、接続要素を、そのマンドレルの領域において尖った円錐形にすることで、この比較的尖っている部位に心出しの機能を与えることができることが明らかになっている（ＤＥ１０２００６０１３５２９Ａ１参照）。
これは、高度な製造プロセスを必要とする比較的複雑な形状である。
したがって、プレス技術を用いる安価な大量生産に適しておらず、この理由で明らかに普及していない。

本発明の目的は、製造上のコストをあまり必要とせずに製造することができ、連続的に続くプロセスの一つにおいて、少なくとも２つの部品の摩擦溶接による接続を連続する作業にて得るために使用することができることで、少なくとも２つの部品を接続するためにきわめてよく適している接続要素を提供することにある。
接続要素は、その形状に基づいて、一方では、摩擦溶接による接続への精密な案内を確実にし、他方では、２つの部品の確実な接続を保証する。

本発明の接続要素は、心出し部が、摩擦溶接による接続を行うマンドレルの実質的に平坦な端面から突き出しており、１以上の上側の部品を貫いた後で、この心出し部の材料が軟化して、この心出し部が実質的に完全に摩擦溶接による接続を行うように、マンドレルの長さに対して短くかつ細く形成されていることを特徴とする。

その短くかつ細い形状ゆえに、摩擦溶接による接続を達成するためのマンドレルとピンの形態の心出し部とを有する接続要素は、きわめて安価な方法で製造することが可能である。
接続プロセスの最初から、ピン状の心出し部が、関係する要素の確実な案内を保証し、接続要素を意図される接続部位へと狙いを付けた様相で作用させることができる。
短くかつ細い心出し部が、マンドレルが、決められた適用位置からずれることを防止する。
結果として、各々の接続プロセスを、ピン状の心出し部によって狙いを付けた方法で実行することができ、加えられる摩擦エネルギーが、進入する接続要素のそれぞれの位置にもっぱら集中する。

接続要素を、心出し部を囲む凹部を有するように形成することも可能であり、この凹部が、心出し部が下側の部品に達したときに、前記心出し部の軟化した材料を収容するように機能する。
これは、軟化した心出し部の材料がマンドレルの端面と下側の部品との間に行き着くことが防止されるため、摩擦溶接プロセスに好ましい効果を有することができる。

心出し部を円柱形のピンとして形成することができる。
しかしながら、ピンを円錐形にすることも可能である。
さらに、ピンに中央の凹部を設け、中空円筒に類似した形状にすることが可能である。
これは、ピンの体積を小さくし、ピンの案内の機能を向上させるとともに、ピンの製造も容易にする。

本発明の例示の実施例が、図面に提示される。

接続要素を示しており、短い円柱形のピンが接続要素のマンドレルから突き出している。 ２つの板状部品のうちの上側の部品に配置された図１の接続要素を示している。 上側の部品を貫通した後の図１の接続要素を示しており、ピンの大部分が変形している。 接続要素および２つの板状部品による完成した摩擦溶接を示している。 心出し部の周囲に凹部を有している接続要素を示している。 心出し部を構成する円錐形のピンを有する接続要素を示している。 マンドレルが平たい円錐形の端面を有している接続要素を示している。 中央に凹部を有するピンを有している接続要素を示している。

図１が、マンドレル２と、マンドレル２に取り付けられたカラー３とからなる接続要素１を示している。
マンドレル２の、カラー３から離れた側において、心出し部を構成するピン４がマンドレル２から突き出している。
ピン４は、マンドレル２と比べてきわめて短くかつ細いが、実質的に円柱形の形状である。
製造を容易にするために、ピン４は、わずかに丸みを帯びた先端面５を有し、マンドレル２の、平坦な面である端面６から円柱状に突き出している。
さらに、カラー３が、ここでは、内部六角形を形成している工具ホルダ部７を備えている。
この工具ホルダ部７には、接続の作業のために接続要素１を回転させるために使用される適切な六角キーを挿入することができる。

接続要素１の一実施例によれば、マンドレル２の長さが、５ｍｍ〜６ｍｍの間であり、直径が、４ｍｍ〜５ｍｍの間である。
ピン４の長さは、０．５ｍｍ〜１ｍｍの間であり、直径は、１ｍｍ〜２ｍｍの間である。
接続要素１のサイズに応じ、その部品も、当然ながらさまざまな寸法とすることができる。

図２は、図１の接続要素１ならびに２つの板状を呈する上側の部品８と下側の部品９を示している。
詳細には、第１の位置において、接続要素１の端面６が上側の部品８に接触し、ピン４が、上側の部品８の材料をちょうど貫き、したがって、上側の部品８に関して心出し機能を発揮することができる。
図２に示される第１の位置において、接続要素１が回転し、したがって、摩擦溶接のプロセスが公知の方法で開始される。
この状態において、接続要素１の端面６が、上側の部品８に押し付けられ、このようにして生じる摩擦熱の結果として、上側の部品８を軟化させる。
これにより、接続要素１が上側の部品８を貫通して、接続要素１のピン４が下側の部品９の表面に最終的に接触することができる。
この貫通のプロセスにおいて、ピン４によって、マンドレル２を心出しおよび案内しつつ、ピン４の材料が軟化し、ピン４が最終的に完全に変形する。

図３に示すように、ピン４が下側の部品９の表面に接触する第２の位置において、ピン４は、変形させられ、結果として、より幅広い形状１０を有している。
軸方向の移動が進むにつれて、ピン４が最終的に完全に平たくなり、したがって、端面６が下側の部品９に接触でき、このようにして摩擦溶接による接続が形成される。
ピン４は、直径が小さく、長さが短く、結果として体積が小さいため、摩擦溶接のプロセスを損なうことがない。

接続要素１と下側の部品９との間での完了した摩擦溶接プロセスが、図４に示されており、細かい斜線の範囲１１が、接続要素１を下側の部品９へと堅固に接続する摩擦溶接領域であり、接続要素１のカラー３が、上側の部品８を下側の部品９にしっかりと押し付けている。

図５に、ピンの形状の変形例が示されている。
この変形例に係る接続要素１は、カラー３およびマンドレル２を有しており、ピン１３がマンドレル２の前方の端面１２から突き出している。
この場合に、ピン１３は、接続要素１が上側の部品８（図２）へと駆動されるときにピン１３から押し出された材料を収容し、その押し出された材料によって後のマンドレル２の端面６と前記上側の部品８との間の摩擦溶接プロセスが妨げられることを防止するように機能する環状の凹部１４によって、ぴったりと囲まれている。

図６は、カラー１５が、適合する六角キーによって把持することができる外部六角形として描かれている接続要素１の別の変形例を示している。
この場合には、ピン１６が、わずかに円錐形である。
この図は、端面６の縁を、該縁が上側の部品８（図２）から押し出された材料の排出を改善するテーパ面１７を有するものとして示している。

図７は、マンドレル２の端面２０が平たい円錐形に形成された接続要素１の変形例を示している。

図８は、部分的に断面で示すピン１８が内側の凹部１９を有している接続要素１の別の変形例を示している。すなわち、ピン１８に中央の凹部１９を設け、中空円筒に類似した形状にすることが可能である。
結果として、比較的薄くなるピン１８の縁が、ピン１８によるより強力な案内に寄与でき、別の部品への進入を容易にすることに寄与することができる。
この実施例においては、ピンの直径が２ｍｍよりも大きくてもよい。

１ ・・・接続要素
２ ・・・マンドレル
３ ・・・カラー
４ ・・・ピン
５ ・・・先端面５
６ ・・・端面
７ ・・・工具ホルダ部
８ ・・・上側の部品
９ ・・・下側の部品
１０ ・・・より幅広い形状
１１ ・・・細かい斜線の範囲
１２ ・・・端面
１３ ・・・ピン
１４ ・・・環状の凹部
１５ ・・・カラー
１６ ・・・ピン
１７ ・・・テーパ面
１８ ・・・ピン
１９ ・・・凹部
２０ ・・・端面

Claims (5)

1. 少なくとも２つの部品（８、９）を接続するための摩擦溶接用の接続要素（１）であって、１以上の上側の部品（８）の厚さに合わせて調整された長さを有するマンドレル（２）が１以上の上側の部品（８）を貫く際に、回転および圧力が加えられた接続要素（１）を、心出しおよび案内するための心出し部を有している接続要素（１）において、
   前記心出し部が、摩擦溶接による接続を行う前記マンドレル（２）の実質的に平坦な端面（６、１２）からピン（４、１３、１６、１８）として突き出しており、１以上の上側の部品（８）を貫いた後で、前記心出し部の材料が軟化して、該心出し部が、完全に摩擦溶接による接続を行うように、前記マンドレル（２）の長さに対して短くかつ細く形成されていることを特徴とする接続要素（１）。
2. 前記マンドレル（２）が、前記心出し部（１３）を囲み、該心出し部（１３）から押し出された軟化した材料を収容する凹部（１４）を有していることを特徴とする請求項１記載の接続要素（１）。
3. 前記ピン（４）が、円柱形であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の接続要素（１）。
4. 前記ピン（１６）が、円錐形であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の接続要素（１）。
5. 前記ピン（１８）が、中央の凹部（１９）を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項４記載の接続要素（１）。
   

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