JP6410717B2 - セルフピアスリベットを用いて接合部を形成するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、セルフピアスリベット（self-piercing rivet）によって接合部を形成する方法であって、リベットを完全に貫通させることなくシート材料に挿入して、リベットの変形端部がシート材料の据え込み加工された環状部によって封入されたままとなるようにする方法に関する。

セルフピアスリベットは、一般的に、ヘッドと部分的に中空の軸とを有する。これは、パンチによってシート材料内に打ち込まれて、上部の１枚のシート又は複数のシートを貫通し、下部のシートと機械的な連結を形成するようになっており、（常にではないが）多くの場合ヘッドは上部シートの上面と同一の高さである。下部のシートはダイ内に形成されているために貫通されないので、完成した接合部で腐食が発生するリスクが低減する。従来のリベット締めにおいて、まずシート材料に孔をあけてからリベットを挿入し、次いでその突出端部に据え込み加工を施すことに比べて、接合プロセスでセルフピアスリベットを用いると生産ステップ数が少なくなる。

セルフピアスリベット締めは、接着剤と組み合わされることが多く、自動車業界で用いられて大きな商業的成功を収めている。自動車業界では、軽量化のため、従ってエネルギ消費の軽減のために、車体パネル及びその他のコンポーネントにアルミニウム等の軽量の材料が採用されている。アルミニウムを、特に鋼にスポット溶接することは、高い熱伝導率、低い融解範囲、及び酸化物表面膜を形成する傾向のために、困難であるか又は実現不可能である。

最近、自動車業界において、高強度のシート金属を用いる動きがある。欧州特許第２０２４６５１号は、高強度の厚い積層鋼を接合するのに特に適したセルフピアスリベットについて記載している。このような鋼は最大引張強度が高いので、リベットに加わる挿入力は必然的に大きくなり、そのためリベットがつぶれるリスクが高い。リベットは、充分な強度となるように熱処理を施して、中／高硬度値（例えば４５０〜５８０Ｈｖ）を与えなければならない。このようなリベットは、特に材料の組み合わせが３つ以上の層を有し得る場合、マグネシウム及びアルミニウム合金等の厚い積層の高強度軽金属合金と共に用いるのに常に適しているわけではないことが証明されている。更に、他の従来のリベットは一般的に、そのような材料を接合するのに適していない。

アルミニウム合金シート材料は、概して優れた延性を示すので、比較的深いキャビティを有するダイが用いられる傾向がある。しかしながら、このようなダイを、高強度アルミニウム又はマグネシウム合金等のもっと強い材料と共に用いる場合、接合部では、挿入プロセスにおいて中央部のシートが最下部のシート内に押し入る傾向がある。このため、腐食しやすい弱い接合部となり、大量生産環境において満足のいく接合部を繰り返し生産することが不可能となることがある。

マグネシウム又は更に高強度のアルミニウム等の厚い積層の軽金属合金は、比較的低い延性を示すので、セルフピアスリベット及び従来のダイを用いてリベット締めを行うと割れる傾向がある。例えば自動車のショックタワー又は衝突部材のような厚い積層の接合部を含むコンポーネントは、鋳造又は押し出し成型によって生産されることがあり、これは設計及び／又は製造の点で経済的及び／又は高効率である。リベット挿入プロセスの間、ダイ内に変形する材料の「ボタン」は、裂けたり亀裂が入ったりする。これによって完成した接合部が弱くなり腐食しやすいので、望ましくない。更に、リベット軸の端部が接合部でシート材料を下方に引っ張って、最下部のシートに押し入ってその外部まで達する傾向があることがわかっており、結果として接合部は腐食しやすく、外見的にも許容できないと見なされることがある。この引っ張られるプロセスにおいて、シート材料は過度に薄くなり、裂けや亀裂が生じやすい。このため、連結が失われて接合部の強度が低下する。更に、下方に引っ張られたシート材料は、リベット軸の貫入端部に貫通されるのではなくこれに巻き付くことがある。結果として、剥離強度が低下する。裂けや亀裂を回避するために、比較的小さい容積のダイキャビティを有するダイ（すなわち浅いダイ）を用いることができる。しかしながら、ダイ深さが浅くなると、挿入中にリベットにかかる力が増大することになり、これによって接合部、ダイ、及びリベット締めツールにかかる応力が増大する。これは、座屈又は割れを発生させて、完成した接合部に不均一であるか又は許容できない品質又は強度を与え得るので、リベットにとって望ましくない。また、ダイ深さを浅くするか、又はダイの容積もしくは形態の他の変更を行う場合、特にこれに対応して加わる力が増大すると、接合したコンポーネントをダイから取り除く際に、下部の積層コンポーネントからの材料が外れてダイに残りやすくなる。これは、リベット締めプロセスによってダイ内の材料が圧縮された結果、ダイがコンポーネントをしっかり捕らえてしまう傾向があるからである。この傾向は、リベット挿入プロセス中に裂けや亀裂が開始すると悪化するが、このような裂けや亀裂が開始しなくても発生し得る。保持された材料の問題に対処するために研磨又はダイ表面処理等の対策を取ることができるが、リベット挿入力の増大による応力の増大は、ダイ、パンチ、及び／又はリベット締めツールの他の部品の寿命を短くする可能性がある。

他の既存のリベットも、一般的に、高強度の軽金属合金の比較的厚い積層物の接合には適していないことが証明されている。このような材料の高い強度及び低い延性は、概して、接合動作中にリベットに高い応力が加わることを意味し、これは浅いダイを用いる場合に悪化する。従来のセルフピアスリベットでは、最終的な接合部が満足のいく品質であることを保証するためにリベット軸の変形を制御可能として、それらの高い応力に耐えることができない。単に高強度材料でリベットを製造することでは、一般的に所望の結果は達成されない。これに対応して延性が低下するので、リベット軸が挿入中に変形しようとする時に亀裂を生じる可能性があるからである。満足のいく強度及び耐腐食性を有する適切な接合部を形成するために、リベットの軸は、座屈なしで材料の上部シートを貫通するのに充分な柱強度を有する必要があり、しかも裂けや亀裂なしで反復可能かつ予測可能に、挿入中に外側に張り出す必要がある。

セルフピアスリベットの軸を強化するための１つの典型的な手法は、その厚さを増すことであるが、これによってリベットの挿入中に軸に亀裂が入りやすくなる。別の手法は、ヘッドより下のリベット材料（リベットの「ウェブ（web）」として知られる）の深さを増すことで、軸の支持のない中空部（穴）の長さを短くすることであるが、リベットにより変位するシート材料の体積がこの穴内に容易に収まらず、上述の有害な影響を生じるので、これは逆効果である。リベット材料の延性が比較的低いと、限られた材料変形及び変位のみが可能であり、後に亀裂が入って疲労を起こす傾向がある。これを考慮すると、セルフピアスリベットは、厚い積層の高強度軽合金の用途での使用は成功していない。更に別の手法は、リベット材料の硬度を増すことであるが、これは、接合プロセス中に軸が外側に変形する際にリベットを割れやすくしてしまうだけである。

リベットの完全な挿入を保証するために必要な据え付け力（setting force）を著しく増す必要なく、高強度材料においてセルフピアスリベット締め接合部を生成することが望ましい。据え付け力を増大すると、必然的にエネルギ消費が増大し、従ってコストが高くなり、例えばパンチ及びダイ等のリベット締め機器の寿命が短くなる。更に、市販のリベット締めツールは、据え付け力の最大限度（capacity）が限られている。このようなリベット締めツールは、多くの異なるタイプのセルフピアスリベットを異なる種類の材料に挿入するための最大限度を有するように設計され、交換には高い費用がかかる。このようなツールが、更に大きい力を生成することができる（と同時に、他の点では許容可能な性能を提供する）設計に交換される場合、交換ツールは大型で重いものであり、増大した負荷を扱うための最大限度を有する交換ロボットを用いる必要がある可能性が高い。このようなロボットは費用が高いので、自動車製造業者は、いっそう大きいスペースを取る高コストの生産ラインを設計しなければならない。従って、既存のリベットセッタ（setter）の最大限度（典型的に約５０ｋＮ）内である据え付け力の大きさで接合部を生産することが望ましい。

本発明の１つの目的は、上述の欠点を防止又は軽減することである。また、本発明の目的は、セルフピアスリベットによって接合部を形成するための改善した方法又は代替的な方法を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、材料の少なくとも２枚のシートの積層物において接合部を形成するための方法であって、シートの少なくとも一方が軽金属合金であり、セルフピアスリベットを用いる方法が提供され、この方法は、ダイの上に材料を位置決めするステップと、全長に沿って延出する穴を画定するように完全に中空の実質的に円筒形のセルフピアスリベットであって、その穴の少なくとも一部に沿って潤滑剤がコーティングされたリベットを提供するステップと、リベットをシート材料の上でダイに対向する位置に位置決めするステップと、パンチを用いてリベットを据えてシート材料内に入れて、その上面を貫通すると共にリベットの軸が外側に変形して材料と連結するが材料のダイ側までは貫通しないようにするステップと、を備え、リベットが５．４ｍｍ以下の外径を有する軸を有し、ダイが、リベットの有効固体体積の６０％以下の容積を有する。

従って本発明では、比較的延性が低い軽金属合金と共に容積の小さいダイを用いることができる。潤滑剤を用いることで、このような容積の小さいダイを用いる場合に、リベットが皿頭を有するものであっても従来の据え付け力を用いて接合部を製造可能であることが保証される。皿頭は、完成した接合部でリベットヘッドの上面が材料の上部シートの上面と実質的に同じ高さになるように、材料の上部シート内に埋め込まれるように設計されたものである。このようなリベットを据え付ける場合、据え付け力の大部分が必要となるのは、上述のようにヘッドを確実に上部シート内に埋め込むためのリベット挿入プロセスの終了時である。

一実施形態において、リベット軸の外径は５．４ｍｍ、５．３ｍｍ、又は５．２ｍｍとすることができる。穴の直径は、少なくとも３．１ｍｍとすることができ、３．２ｍｍ又は３．３ｍｍとすることができる。これによって、比較的薄い軸壁を有し、従って比較的小さい（が適切な）柱強度を有する軸が得られる。

別の実施形態では、リベット軸の外径は３．３５（±０．１ｍｍ）とし、穴の直径は２．１ｍｍ（±０．１ｍｍ）とすることができる。このようなリベットは、実質的に平坦なダイと共に用いるのに特に適している。

シートは、５０〜６００ＭＰａの範囲内、好ましくは１８０ＭＰａ〜６００ＭＰａの範囲内の最大引張強度を有することができる。例えばシートは、３３０〜６００ＭＰａの範囲内の最大引張強度を有する高強度アルミニウム合金とすることができる。あるいは、シートは、１８０〜４４０ＭＰａの範囲内の最大引張強度を有する展伸用マグネシウム合金（wrought magnesium alloy）とすることも可能である。接合部のシートは異なる材料から作成することができ、この場合はシートの少なくとも１枚を軽金属合金とするか、又は積層物の各シートを軽金属合金とするが、必ずしも積層物の他のシートと同じにする必要はない。

シートは、従来の圧延、鋳造、又は押し出し成型プロセスを、熱処理又は時効硬化等の硬化又は強化プロセスと組み合わせて生成することができる。

ダイは、０．５ｍｍから２．０ｍｍの範囲内の最大深さのダイキャビティを有することができる。

シート材料積層物は、少なくとも６．０ｍｍ、又は少なくとも３．０ｍｍ、又は少なくとも１．０ｍｍの厚さを有することができる。

リベットは、その穴の全長に沿って潤滑剤をコーティングすることができる。また、リベットは、リベットの軸の外面の少なくとも一部にコーティングすることができる。潤滑剤は、例えばドライフィルム等のいずれかの適切な物質とすればよい。

潤滑剤は、結合剤樹脂と、例えばグラファイト、二硫化モリブデン、ＰＴＦＥ、又はリン酸塩等の１つ以上の適切な潤滑剤材料とを含むことができる。

潤滑剤は、穴を画定するリベットの内面に塗布することができ、及び／又は軸の外面に塗布することができる。潤滑剤は、いずれかの便利な方法で塗布すればよい。例えば、これを小滴又はスプレーの形態で一端から穴に挿入することができる。量を計測して、余分な潤滑剤を除去するためのプロセスを用いる必要をなくすことができる。代替的な例では、リベットの全体又は一部を潤滑剤槽に浸漬することによって潤滑剤を塗布することができる。リベットは一端のみ浸漬すればよい。浸漬プロセスは、リベットの（穴を画定する）内面及び外面の一方又は双方をコーティングするように作用することができる。

リベットは、例えば、ＢＳ ＥＮ １０２６３：２００１、鋼グレード３６ＭｎＢ４に適合する炭素−マンガンボロン鋼等のファスナグレードの鋼のものとすればよい。リベットは、２５０〜６００Ｈｖの硬度を有することができる。好適な実施形態では、リベットは２８０〜５６０Ｈｖの範囲内の硬度を有する。

リベットは、軸の直径より大きい直径のヘッドを有することができる。ヘッドは、材料のシートの最上部シートの上面と同一の高さで完成するように設計することができ（例えば皿頭リベット）、又は、その表面で隆起するように設計することも可能である（例えば鍋頭リベット）。

この方法は、材料の最上部シートのスラグが穴の上部まで達するように変形可能とすることを更に備えることができる。この材料は、穴を画定する表面の上部に向かうように外側に変形する。表面の上部は、スラグと係合する溝又は他のいずれかの適切なくぼみもしくはフィーチャ（feature）とすることができ、これによってスラグがリベットの上部から出ていくのを阻止する。材料のスラグを更に変形させるため、パンチの端部に突起を設けることができる。溝又はくぼみは、環状又は部分的に環状とすることができる。

本発明の第２の態様によれば、上述のような接合部を形成する方法に従って接合部を形成することを含む、例えば車体パネル等のコンポーネント又は製品を製造するための方法が提供される。

本発明の第３の態様によれば、少なくとも２枚のシート材料の積層物において接合部を形成するための方法であって、シートの少なくとも一方が軽金属合金であり、セルフピアスリベットを用いる方法が提供され、この方法は、ダイの上に材料を位置決めするステップと、全長に沿って延出する穴を画定するように完全に中空の実質的に円筒形のセルフピアスリベットであって、その穴の少なくとも一部に沿って潤滑剤がコーティングされたリベットを提供するステップと、リベットをシート材料の上でダイに対向する位置に位置決めするステップと、パンチを用いてリベットを据えてシート材料内に入れて、その上面を貫通すると共にリベットの軸が外側に変形して材料と連結するが材料のダイ側までは貫通しないようにするステップと、を備え、ダイが、リベットの有効固体体積の７０％以下の容積を有する。

ダイの容積は、リベットの有効固体体積の６０％以下とすることができる。

本発明のこの態様は、上述した特徴のいずれかと組み合わせることができる。

シートの少なくとも１枚は、ポリマー材料又はプラスチック材料から作成することができる。

本発明の第４の態様によれば、本発明の第３の態様の方法に従って接合部を形成することを含む、例えば車体パネル等のコンポーネント又は製品を製造するための方法が提供される。

これより、添付図面を参照して、本発明の特定の実施形態について一例としてのみ説明する。

本発明の方法に従って生成したセルフピアスリベットを用いたリベット締め接合部の断面図である。 図１の接合部と比較するための、部分的に中空のセルフピアスリベットを用いた従来技術の接合部の断面図である。 図１の接合部と比較するための、部分的に中空のセルフピアスリベットを用いた従来技術の接合部の断面図である。 図１の接合部と比較するための、部分的に中空のセルフピアスリベットを用いた従来技術の接合部の断面図である。 図１の接合部と比較するための、部分的に中空のセルフピアスリベットを用いた従来技術の接合部の断面図である。 図１の接合部と比較するための、部分的に中空のセルフピアスリベットを用いた従来技術の接合部の平面図である。 比較のために用意したリベット締め接合部の断面図であり、本発明の第２の実施形態に従ったセルフピアスリベット方法を用いたものである。 比較のために用意したリベット締め接合部の断面図であり、従来技術に従ったセルフピアスリベット締め方法を用いたものである。 比較のために用意したリベット締め接合部の平面図であり、従来技術に従ったセルフピアスリベット方法を示す。 比較のために用意したリベット締め接合部の断面図であり、従来技術に従ったセルフピアスリベット方法を示す。 比較のために用意したリベット締め接合部の平面図であり、本発明の第３の実施形態に従ったセルフピアスリベット方法を用いたものである。 比較のために用意したリベット締め接合部の断面図であり、本発明の第３の実施形態に従ったセルフピアスリベット方法を用いたものである。 本発明に従った接合部の断面図であり、リベット穴の内部の材料のスラグが外れるのを防止又は抑制するように設計されたリベットの上部を示す。 図５ａの接合部の上部の拡大図である。 図５ａ及び図５ｂの接合部を生成するための方法の一実施形態の概略図である。

ここで図面の図１を参照すると、セルフピアスリベットによって、高強度アルミニウム合金（６１１１−Ｔ４）の３枚のシートの積層物に形成された接合部が示されている。

この特定の例において、リベットは、ＵＳ特許第６，９５１，０５２号に記載された種類の電気リベットセッタを用い、更に、米国第６，７４２，２３５号に記載されたクランピングレジメを用いて挿入されている。接合部は、最大深さが１．８ｍｍで直径が１０ｍｍのダイを用いて形成されている。据え付け速度は３５０ｍｍ／秒であった。

リベットは、実質的に円筒形で完全に中空である。すなわちこれは、中央の穴を有し、両端で開口し、外径が５．３ｍｍ（±０．１ｍｍ）であり内径が３．２ｍｍ（±０．１ｍｍ）である。リベットは上端において、外周の環状突起で画定されて直径が７．７５ｍｍに拡大した皿頭を有し、リベットセッタの駆動パンチが接触するための充分な面積を提供する。穴の内部は、ヘッド端部において約０．５から１ｍｍの短距離で機械的にめっきされている。また、液体の潤滑剤にリベットを浸し、リベットを遠心分離機等で回転させて余分な液体を除去し、潤滑剤をフィルムとして乾燥させることによって、穴は全長に渡ってドライフィルム潤滑剤でコーティングされている。市販のフィルム潤滑剤の一例は、Fuchs Lubritech GmbH（ドイツ国カイザースラウテルン）から入手可能なＧｌｅｉｔｍｏ６２５である。

図１の画像を目視検査するだけで、満足のいく接合部が生成されていることがわかる。特に、リベットは、充分な柱強度を実証し、非対称的な又は部分的な崩壊は示されていない。リベットは上部及び中間部のシートに貫通しているが、最下部のシートには貫通せず、強固な接合部を生成するようにこれと充分に連結している。連結の程度は、図１に示す０．４４ｍｍの測定値によって表されている。第２のシートが最下部シート内に押し入っている形跡はない。接合部における最下部シートの厚さは０．７１ｍｍと示され、これは満足のいく深さであると見なされる。穴の上部までアルミニウムが流れていることがわかる。潤滑剤は、据え付け動作で摩擦によって誘発されるリベットにかかる応力を低減するように機能し、これによってシート材料は穴の上部まで流れることができる。ダイ内に形成される材料の「ボタン」は、リベット挿入プロセス中に裂けや亀裂が生じていない。この結果、接合部は外見的に許容可能であるだけでなく、ヘッド端部で露出する穴の部分が、めっきにより腐食保護が与えられる深さに制限されることが確実となる。潤滑剤が存在しない場合は、同じリベットにもっと大きい応力がかかり、圧縮されるために、最終的な接合部で非対称的な形態になる傾向があることがわかった。更に、シート材料はリベット穴の途中までしか流れず、これによって接合部が腐食しやすくなるはずである。

この種の完全に中空のリベットを用いると、比較的大きい穴の容積が与えられて、変位したシート材料の大部分を収容することができる。これによって比較的浅いダイの使用が可能となり、中間部シートが下方の最下部シート内へ引っ張られる傾向が小さくなる。更に、このようなシートがリベットの貫入端部に巻き付く傾向が弱まる。図１に示す特定の例では、完全に中空のリベットが、従来のセルフピアスリベットに比べて８１％多く変位シート材料を収容することができる。

外径が５．３ｍｍで内径が３．２ｍｍであるので、図１のリベットの直径の全軸厚は２．１ｍｍである。すなわち、軸壁の半径方向の厚さは１．０５ｍｍである。このようなリベットは、穴を閉鎖する材料ウェブがないので、柱強度が著しく低下し、容積の小さいダイと関連付けて厚い積層の高強度アルミニウム又は他の高強度軽金属合金と共に用いるには不充分であると考えられている。しかしながら、このような幾何学的形状のリベット、容積の小さいダイ、及び潤滑と組み合わせると、驚くほど小さい据え付け力で満足のいく品質の接合部を生成可能であることが証明されている。力が小さいことは、下部シートの材料がダイに埋め込まれて保持される可能性が低くなることを意味する。

ダイの深さ及び直径はリベットサイズに応じて変動する場合があることは認められよう。具体的には、ダイは、最大深さが０．５ｍｍから２．０ｍｍの範囲内であるダイキャビティを有することができる。ダイは、リベットの有効固体体積の６０％又は７０％又はこれ以下の容積を有し得ることがわかっている。

図１の接合部と比較するため、図２ａから図２ｆは、従来の部分的に中空のリベットを用いて同じタイプ及び同じ厚さのシート材料に生成された接合部を示す。この場合、リベットヘッドの下に材料ウェブが残るように、穴はリベット軸の長さの途中までのみ延出している。

図２ａにおいて、リベットは図１のものと長さ及び硬度が同じである。接合部は、図１のものと同じ方法で、同じダイ及び同じ据え付け速度で生成されている。リベットは接合部において非対称に広がっているので、充分な柱強度を持っていないことがわかる。これは、リベット挿入プロセス中にシート材料を穴に充填するのが早すぎて、リベットが広がって圧縮された結果であることが証明されている。これによって、この例では特に左側で、連結が著しく縮小している。矢印Ａで示すように、中間部シートが最下部シート内に押し入っているために、水分が侵入する経路が発生すると共に、リベット腐食の可能性が生じている。ヘッドは上部シートの上面と完全に同一の高さでなく、これは、図１に示した接合部とは異なり、いっそう大きな据え付け力が必要であることを示している。しかしながら、据え付け力を増大しても不充分な柱強度の問題は改善されない。据え付け力の増大が一般的に望ましくないか又は実現不可能であることは、当業者には認められよう。具体的には、そのような力の増大によって、必然的にエネルギ消費が増し、潜在的にもっと大きい力の最大限度を有するリベット締めツールが用いられるので、本明細書の導入部で記載したように大きなロボット及び高い費用が必要となる。更に、単に据え付け力を増大するだけでは、リベットがつぶれたり非対称的に広がったりする傾向を強めるだけである。

図２ｂにおいて、図２ａの接合部に比べて変更された唯一のパラメータは、変位したシート材料を更に多く収容しようとしてダイ深さを２．５ｍｍに拡張したことである。リベットはこの場合も非対称に広がっており、穴内に押し込まれる材料の体積に耐えるには柱強度が不充分であることがわかる。ダイ深さを大きくした結果、ボタンが割れ（矢印Ｂを参照のこと）、中間部シートが下部シート内に押し入る傾向は弱くなっていない（矢印Ｃを参照のこと）。これらの欠点は双方とも、腐食を引き起こす潜在的な原因となる。高強度アルミニウム合金等の延性の低いシート材料を用いた場合、ダイの深さを大きくしても接合部は改善されないことが本発明者によって認識されている。

図２ｃにおいて、図２ａの接合部に比べて変更された唯一のパラメータは、リベットの硬度レベルを高くしたことである。このリベットでは柱強度が増しているが、依然としてある程度の非対称性が見られることがわかる。中間部シートはこの場合も最下部シート内に押し入っている。リベットは最下部シートにおいて最小の連結を提供し、ヘッドは最上部シートの上面で隆起し、もっと大きい据え付け力が必要であることを示している（上述のように、これが望ましくないことは当業者には明らかであろう）。この接合部は、多くの用途において満足のいくものとは考えられない。

ここで図２ｄ及び図２ｅを参照すると、図２ａの接合部に比べて変更された唯一のパラメータは、リベットの脚部を太くしたために柱強度が増したことである。図２ｄはこれまでと同様の断面図であるが、図２ｅは最下部シートの平面図である（図２ｄの断面を生成するために接合部をカットした後）。中間部シートは下方に引っ張られ、貫入端部に巻き付いて貫通されていない（矢印Ｄを参照のこと）。この結果、連結は不充分となる。リベットヘッドは上部シートで隆起し、リベットを同じ高さに据えるためにもっと大きい据え付け力が必要であることを示している。また、図２ｅの矢印Ｅからわかるように、穴の容積が縮小した結果、中間部シートは最下部シート内に押し入っている。

また、本発明は、アルミニウム合金の薄い積層物にも用途がある。図３ａは、各々が厚さ１．５ｍｍであるアルミニウム合金ＮＧ５７５４の２枚のシートに生成された接合部を示す。このような積層物において、変位したシート材料の大部分をリベットの穴内に収容することができるので、接合部は実質的に平坦なダイを用いて生成され、材料のダイ側にボタンは存在しない。リベットは完全に中空であり、軸の外径が３．３５ｍｍ（±０．１ｍｍ）で穴直径が２．１ｍｍ（±０．１ｍｍ）である。接合部は上面及び下面の双方で実質的に水平であることがわかる。これが特に望ましいのは、例えば完成品において特に目立つもの等のいくつかの接合部の場合、又は、最下部シート及び／又は完成した接合部の面外の変形が収容不可能であるか又は視覚的に許容不可能である場合である。最下部シートの最小厚さは０．３７ｍｍであり、これはほとんどの用途において満足のいく接合部の範囲内であると考えられる。

比較のため、図３ｂは、そのような材料のために自動車業界において用いられる標準的な接合部を示し、類似した従来の部分的に中空のリベットを用いて生成されたものである。接合部のダイ側に著しいボタン変形があることがわかる。

図４ａ〜図４ｄは、展伸用マグネシウム合金ＡＺ３１Ｂ−０で生成された接合部を示す。このような材料は特に低い延性を有し、従ってセルフピアスリベット締め方法を用いて接合することが難しい。図４ａ（平面図）及び図４ｂ（断面図）に示す第１の接合部は、部分的に中空のリベット及び深さ１．６ｍｍのダイを用いて生成されている。リベットの内部穴は、図１の接合部に用いたリベットと同じ方法で潤滑が与えられている。矢印Ｆ及びＧから、ボタンが亀裂及び裂けを示し、接合部が腐食しやすくなっていることがわかる。更に、接合部の連結が失われて比較的弱くなっている。ボタンのサイズを小さくしようとして単にダイ容積を縮小すると、リベットがつぶれたり、接合部においてリベットが上部シートの上面と同一の高さでなくなったりすることがわかっている。これに対して、図４ｃ及び図４ｄに示すように、最大深さ０．７５ｍｍの小さい容積のダイと共に完全に中空のリベットを用いて、良好な接合部が生成されている。ボタンに亀裂や裂けは見られず、リベットの貫入端部は上部シートを貫通し、下部シートと良好に連結するように充分に広がっている。

本発明の方法において完全に中空のリベットを用いることで、従来のセルフピアスリベット締め方法において用いたものに比べて著しく小さい容積のダイを用いることが可能となり、しかも、リベットがつぶれたり非対称に広がったりする恐れはない。このような小さい容積のダイは、同じシート材料を接合するための従来のリベットと共に用いるには小さすぎると考えられる。本発明の方法において用いられるダイの容積は、従来のセルフピアスリベット締めプロセスで用いられるものよりも３０％から１００％までのいずれかだけ縮小した容積を有することができる。

ダイ容積は、同等の中実リベット（すなわち、本発明の接合部の生成に用いられる完全に中空のリベットと同じ寸法を有するが完全に中実なリベット）の体積の０％から６０％、又は７０％までのいずれかとすることができる。これに比べると、従来のセルフピアスリベット締めプロセス（部分的に中空のリベットを用いる）において用いられるダイは、典型的に、同等の中実リベットの体積の６０％を超える。

一実施形態において、例えば、ダイは最大深さ２ｍｍ、直径１０ｍｍとすることができる。

例えばドライ（固体）フィルム潤滑剤等、いずれかの適切な潤滑剤を用いることができる。潤滑剤は、リベット穴の全長又はその一部分のみに沿って塗布することができる。また、いくつかの用途では、リベット軸の外面に塗布することができる。

外径が５．３ｍｍ（±０．１ｍｍ）の軸を有する完全に中空のリベットを用いることの利点は、セルフピアスリベット接合部の生成に用いられる標準的なリベットセッタ、リベット供給装置、及び他のツールと共に使用可能であることである。これは、同じ機器を用いて従来の部分的に中空のリベット及び完全に中空のリベットの双方を挿入可能であることを意味する。

本発明に従った接合部は、従来のリベットに比べて著しく小さい据え付け力を用いて生成することができる。更に、リベットは、最終的な組み立て製品において軽量化を可能とし、歪みの低減によって、例えば狭いフランジ等の限られた領域内に接合部を生成することができる。

本発明の方法において用いるリベットは、軸の外径を５．３ｍｍ（±０．１ｍｍ）未満とすることができる。更に、これは、厚さ１ｍｍの積層物を含む、厚さ３ｍｍ以下の積層物を接合するために使用可能である。

リベットに潤滑剤を用いることは、リベットが皿頭を有する場合であっても、小さい容積のダイを用いる際に５０ｋＮ未満の標準的な又は従来の据え付け力で接合部を作成可能であることを意味する。このようなリベットを据え付ける場合、据え付け力の大部分は、ヘッドの下側を上部シートに埋め込むことで確実にヘッドを上部シートの上面と実質的に同一の高さとするために必要となる（図１を参照のこと）。

「軽金属合金」という用語は、この業界において認められており、本明細書では、マグネシウム、チタン、ベリリウム、又は高強度アルミニウム合金を意味するために用いられる。これらは全て、低い密度及び高い強度重量比を有する。

展伸用マグネシウム合金の最大引張強度（ＵＴＳ）は典型的に１８０〜４４０ＭＰａの範囲内であるのに対し、高強度アルミニウム合金のＵＴＳは典型的に３３０〜６００ＭＰａの範囲内である。

図５ａ〜図５ｃは、どのように上部シート材料のスラグ１１をリベットの穴内に維持するかを示す。図５ｂは図５ａの上部の拡大図であり、リベットの内面が、上端に画定された環状溝１２を有することが示されている。スラグは外側に変形して溝をふさぎ、これによって穴の上端から外れることを防止する。図示する実施形態では溝は環状であるが、溝は部分的に環状であること又は他のいずれかの適切な形態を取ることも可能であることは認められよう。

この例示的な実施形態において、接合部は、高強度アルミニウム合金ＡＣ６００−Ｔ４材料の４枚のシートの積層物を用いて生成されている。上部シートは比較的薄い（０．９ｍｍ）。その下のシートは厚さ２ｍｍであり、他の２枚のシートは厚さ３ｍｍである。前述のように、リベットは、ＵＳ特許第６，９５１，０５２号に記載された種類の電気リベットセッタを用い、米国第６，７４２，２３５号に記載されたクランピングレジメを用いて挿入されている。接合部は、最大深さが１．８ｍｍで直径が１０ｍｍのダイを用いて形成されている。据え付け速度は３５０ｍｍ／秒であった。

図５ｃは、パンチ１３（リベットを挿入する）を用いて同じリベットで生成した接合部を示す。パンチ１３は、スラグ材料の溝１２内への変形を促進する突起１４を有する。

いくつかの用途では、ダイは、リベットの有効固体体積の６０〜７０％の容積を有することができる。

Claims (22)

1. 材料の少なくとも２枚のシートの積層物において接合部を形成するための方法であって、前記シートの少なくとも一方が軽金属合金であり、セルフピアスリベットを用い、ダイの上に材料の少なくとも２枚のシートの前記積層物を位置決めするステップと、全長に沿って延出する穴を画定するように完全に中空の実質的に円筒形のセルフピアスリベットであって、その穴の少なくとも一部に沿って潤滑剤がコーティングされたリベットを提供するステップと、前記リベットを材料の少なくとも２枚のシートの前記積層物の上で前記ダイに対向する位置に位置決めするステップと、パンチを用いて前記リベットを据えて材料の少なくとも２枚のシートの前記積層物内に入れて、その上面を貫通すると共に前記リベットの軸が外側に変形して材料の少なくとも２枚のシートの前記積層物と連結するが材料の少なくとも２枚のシートの前記積層物のダイ側までは貫通しないようにするステップと、を備え、前記リベットが５．４ｍｍ以下の外径を有する軸を有し、前記ダイが、前記リベットの有効固体体積の６０％以下の容積を有し、前記リベットの前記有効固体体積は、前記接合部の生成に用いられる完全に中空のリベットと同じ寸法を有するが完全に中実なリベットの容積である、方法。
2. 材料の前記少なくとも２枚のシートが５０〜６００ＭＰａの範囲内の最大引張強度を有する、請求項１に記載の方法。
3. 材料の前記少なくとも２枚のシートが１８０ＭＰａ〜６００ＭＰａの範囲内の最大引張強度を有する、請求項１に記載の方法。
4. 前記ダイが０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲内の最大深さを有するダイキャビティを有する、請求項１、２、又は３に記載の方法。
5. 材料の少なくとも２枚のシートの前記積層物が少なくとも６．０ｍｍの厚さを有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 材料の少なくとも２枚のシートの前記積層物が少なくとも１．０ｍｍの厚さを有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記リベットがその穴の全長に沿って潤滑剤をコーティングされている、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記リベットが更に、前記リベットの軸の外面の少なくとも一部に潤滑剤をコーティングされている、請求項６に記載の方法。
9. 前記潤滑剤がドライフィルムである、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 材料の少なくとも２枚のシートの少なくとも１つの前記積層物のシート材料が、３３０〜６００ＭＰａの範囲内の最大引張強度を有する高強度アルミニウム合金である、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
11. 材料の少なくとも２枚のシートの少なくとも１つの前記積層物のシート材料が、１８０〜４４０ＭＰａの範囲内の最大引張強度を有するマグネシウム合金である、請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記リベットの前記穴の直径が少なくとも３．１ｍｍである、請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記軸の前記外径が３．３６ｍｍ以下である、請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記リベットの前記穴の内径が少なくとも２．０ｍｍである、請求項１３に記載の方法。
15. 前記リベットが皿頭を有する、請求項１から１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記リベットが前記穴の上部において少なくとも１つの形成部を有し、前記方法が、材料の少なくとも２枚のシートの前記積層物の上部シートからの前記穴の内部の材料のスラグが前記形成部と係合するように材料の少なくとも２枚のシートの前記積層物の材料の前記少なくとも２枚のシートの変形を可能とすることを含む、請求項１から１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記形成部が溝又はくぼみを備える、請求項１６に記載の方法。
18. パンチを用いて前記リベットを材料の少なくとも２枚のシートの前記積層物内に挿入することを更に備え、前記パンチが、材料の前記スラグを外側に変形させるように材料の前記スラグに接触する突起を有する、請求項１７に記載の方法。
19. 請求項１から１８の方法に従って接合部を形成することを含む、コンポーネント又は製品を製造するための方法。
20. 材料の少なくとも２枚のシートの積層物において接合部を形成するための方法であって、前記シートの少なくとも一方が軽金属合金であり、セルフピアスリベットを用い、ダイの上に材料の少なくとも２枚のシートの前記積層物を位置決めするステップと、全長に沿って延出する穴を画定するように完全に中空の実質的に円筒形のセルフピアスリベットであって、その穴の少なくとも一部に沿って潤滑剤がコーティングされたリベットを提供するステップと、前記リベットを材料の少なくとも２枚のシートの前記積層物の上で前記ダイに対向する位置に位置決めするステップと、パンチを用いて前記リベットを据えて材料の少なくとも２枚のシートの前記積層物内に入れて、その上面を貫通すると共に前記リベットの軸が外側に変形して材料の少なくとも２枚のシートの前記積層物と連結するが材料の少なくとも２枚のシートの前記積層物のダイ側までは貫通しないようにするステップと、を備え、前記ダイが、前記リベットの有効固体体積の７０％以下の容積を有し、前記リベットの前記有効固体体積は、前記接合部の生成に用いられる完全に中空のリベットと同じ寸法を有するが完全に中実なリベットの容積である、方法。
21. 前記ダイの容積が前記リベットの前記有効固体体積の６０％以下である、請求項２０に記載の方法。
22. 請求項２０又は２１の方法に従って接合部を形成することを含む、コンポーネント又は製品を製造するための方法。

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