JP6899392B2 - 先進高強度鋼を機械的に接合するための装置及び方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
[0001] 本出願は、APPARATUS AND METHOD FOR MECHANICALLY JOINING ADVANCED HIGH STRENGTH STEELという表題でMark A. Savoy及びPhillip J. I. Morganによって２０１６年１０月７日に出願された米国仮特許出願第６２／４０５，２８８号；APPARATUS AND METHOD FOR MECHANICALLY JOINING ADVANCED HIGH STRENGTH STEELという表題でMark A. Savoy及びPhillip J. I. Morganによって２０１６年９月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／４００，８０９号；及びAPPARATUS AND METHOD FOR CLINCHING ADVANCE HIGH STRENGTH STEELという表題でMark A. Savoy及びPhillip J. I. Morganによって２０１６年２月３日に出願された米国仮特許出願第６２／２９０，６０８号の優先権を主張する。前記仮特許出願のそれぞれの開示内容全体は、参照により本明細書に組み込まれる。

[0002] 本発明は、レーザ加熱を用いて先進高強度鋼（advanced high strength steel）を機械的に接合するための装置及び方法に関する。

[0003] 米国特許第８，２３４，７７０号（Durandetら）によって開示されているように、予熱により自己穿孔リベットを用いて金属を接合するためにレーザが以前から使用されてきた。Durandetらはまた、機械的結合方法がクリンチ式プロセス又はプレス接合プロセスに好適であり得ることを開示している。

[0004] レーザが利用される場合、金属接合処理は、強いレーザビームからの散乱放射がオペレータに害を与えないように、光に対して安全な方法で実行されなければならない。これまで、このような処理は、オペレータがレーザビームに曝露しないように、使用中にオペレータが接近できない処理ステーションにおいて実行されてきた。

[0005] 本発明の目的は、レーザ加熱を用いて先進高強度鋼の第１鋼板部分を第２金属シート部分に機械的に接合するための改良された装置を提供することである。

[0006] 上記目的を遂行するために、本発明による装置は、シート部分の界面で金属の第２シート部分と接触する先進高強度鋼の第１シート部分に隣接して位置決めするための接合アセンブリを含む。接合アセンブリは、開口部を有する光に対して安全なチャンバを規定するハウジングを含み、また、加熱位置と接合位置との間でシート部分の界面に平行に移動するための光に対して安全な接触でハウジングに取り付けられる割り出し部材を含む。割り出し部材は、その加熱位置において、ハウジングの開口部に隣接して及び第１及び第２シート部分の接合箇所に位置付けられる開口部を含み、割り出し部材はまた、その接合位置においてシート部分の接合箇所に配置されるダイを含む。アクチュエータは、接合アセンブリの割り出し部材を、その加熱位置と接合位置との間で第１及び第２シート部分の界面に平行に移動する。接合アセンブリのレーザアセンブリは、レーザビームを、ハウジングチャンバ内からハウジングの開口部及びその加熱位置にある割り出し部材の開口部を介して投影するレーザコリメータを含み、接合箇所において先進高強度鋼板の第１シート部分の加熱を提供し、加熱後、アクチュエータは、第１及び第２シート部分の界面に平行に割り出し部材を接合位置へ移動させる。装置の検出器アセンブリは、第１シート部分が割り出し部材と光に対して安全に接触しているときだけレーザアセンブリの動作を許容し、アセンブリのクリンチパンチ又はリベットラムは、加熱された第１シート部分及び第２シート部分を接合箇所で互いに機械的に接合するために、割り出し部材の接合位置でダイと協働する。装置の制御器は、シート部分の接合作業のために接合アセンブリ、アクチュエータ、レーザアセンブリ、及びクリンチパンチ又はリベットラム、ならびに装置の他のいずれかの必要な構成要素を操作するように構成される。

[0007] 開示されているように、接合アセンブリは、加熱位置と接合位置との間の旋回移動のために割り出し部材をハウジングに取り付ける旋回接続部を含んでもよく、又は、加熱位置と接合位置との間の直線移動のために割り出し部材をハウジングに取り付ける滑り面を含んでもよい。

[0008] 同じく開示されているように、ダイは、クリンチ接合部を提供するためのクリンチダイ、クリンチ−リベット接合部を提供するためのクリンチ−リベットダイ、フルパンチリベット接合部を提供するためのフルパンチリベットダイ、又は、自己穿孔リベット接合部を提供するための自己穿孔リベットダイである。

[0009] 開示される検出器アセンブリは、加圧ガスをハウジングのチャンバに供給するための加圧ガス源を含み、また、第１シート部分が割り出し部材に対して光に対して安全な接触下にあるかどうかを検出するために加圧ガス源からチャンバへのガス流を検出する検出器を含む。

[0010] 開示される接合アセンブリは、制御器の操作によってレーザ加熱を制御するために、割り出し部材の開口部を介して接合箇所における第１シート部分の温度を検知するための温度センサを含む。

[0011] 開示される一実施形態において、装置は、制御器によって操作される平行運動機械（ＰＫＭ：parallel kinematic machine）であって、第１支持部と、第１支持部に取り付けられ、互いに向かって集束するように第１支持部から延びる３本の伸縮可能な支柱を有する三脚と、シート部分を互いに接続する接合を提供するために制御器の操作下にダイと協働するクリンチパンチ又はリベットラムを取り付けるために第１支持部から間隔を空けて３本の支柱によって取り付けられた第２支持部と、互いに直交する水平方向の移動のためにＰＫＭを取り付けるレールと、を含む平行運動機械（ＰＫＭ）を含む。

[0012] 装置の別の開示される実施形態は、接合アセンブリを支持する１つの端部を有するＣ形フレームであって、第１及び第２シート部分を互いに接合するために制御器の操作下にダイと協働するクリンチパンチ又はリベットラムを支持する別の端部を有するＣ形フレームと、第１及び第２シート部分の異なる位置で接合を提供するために制御器の操作下にＣ形フレームを移動する装置のロボットと、を含む。

[0013] 本発明の別の目的は、先進高強度鋼を機械的に接合するための改良された方法を提供することである。

[0014] 直ぐ前の目的を実施する際に、本発明の方法は、シート部分の界面で金属の第２シート部分と接触する先進高強度鋼の第１シート部分に隣接して接合アセンブリを位置付けることによって実行され、接合アセンブリは、開口部を有しかつ光に対して安全なチャンバを規定するハウジングを含み、接合アセンブリはまた、加熱位置と接合位置との間のシート部分の界面に平行な移動のために光に対して安全な接触でハウジングに取り付けられた割り出し部材を含み、割り出し部材は、加熱位置において、第１及び第２シート部分の接合箇所でハウジングの開口部に隣接して位置付けられる開口部を含み、割り出し部材は、接合位置において、接合位置においてシート部分の接合箇所に配置されるダイを含む。レーザビームは、ハウジングチャンバの内側から、ハウジングの開口部を介して、及びその加熱位置にある割り出し部材の開口部を介して投射され、先進高強度鋼の第１シート部分の加熱をその接合箇所においてもたらし、加熱後、割り出し部材が、第１及び第２シート部分の界面に平行に接合位置に移動される。第１シートと割り出し部材との光に対して安全な接触が検出された後に初めて、レーザビームの動作が許可される。クリンチパンチ又はリベットラムが、割り出し部材の接合位置でダイと協働して、加熱された第１シート部分と第２シート部分とを接合箇所で互いに機械的に接合するように操作される。使用される制御器は、接合アセンブリの位置決め、光に対して安全なレーザビームの投影、第１シート部分と割出し部材との光に対して安全な接触の検出、クリンチパンチ又はリベットラムの操作、及び第１及び第２シートを互いに接合する他のいずれかの処理を制御するように構成される。

[0015] 開示されているように、割り出し部材は、加熱位置及び接合位置の間で旋回式に移動させられる、又は直線的に移動させられる。

[0016] 同じく開示されているように、接合はクリンチ接合部、クリンチ−リベット接合部、フルパンチリベット接合部、又は、自己穿孔リベット接合部を提供する。

[0017] 光に対して安全なチャンバからの加圧ガスの流れは、レーザビームの動作を制御するために開示されているように感知される。

[0018] さらに開示されるように、第１シート部分の温度は、その加熱を制御するために接合箇所で検知される。

[0019] 方法の１つの実施において、制御器によって操作される平行運動機械（ＰＫＭ）は、シート部分を互いに接続する接合を提供するためにダイと協働するクリンチパンチ又はリベットラムを取り付け、そして移動し、ＰＫＭは互いに直交するレール上で移動される。

[0020] 方法の別の実施において、Ｃ形フレームの両端部は、接合作業を提供する接合アセンブリ及びクリンチパンチ又はリベットラムを取り付け、Ｃ形フレームはロボットによって支持及び移動される。

[0021] 本発明の目的、特徴及び利点は、参照される図面と併せて読まれる場合、以下の好ましい実施形態の詳細な説明から容易に明らかになる。

異なる方法で本発明の機械的接合方法を実施するための、本発明に従って構成された装置の２つの異なる実施形態の幾分概略的な立面図である。 図１の線２−２の方向に沿って取った装置の一実施形態の接合アセンブリの平面図であり、加熱位置にある接合アセンブリの割り出し部材を示す。 レーザ加熱後であることを除き、図２と同様の平面図であり、機械的接合作業のため接合位置に旋回式に移動された割り出し部材を示す。 図２の線４−４の方向に沿った部分断面図であり、接合に備えてレーザ加熱が行われる方法を示す。 接合作業中の割り出し部材の位置取りを示す、図３の線５−５の方向に沿った部分断面図である。 接合アセンブリの別の実施形態の立面図であり、図４と概ね同じであり、接合作業に備えてレーザ加熱が行われる方法を示す。 レーザ加熱中に位置決めされた割り出し部材を示す図６の線７−７の方向に沿って取った平面図である。 レーザ加熱後であることを除き図７と同様の平面図であり、機械的接合に備えて割り出し部材を接合位置に直線的に移動させた状態を示す。 光に対して安全な方法の先進高強度鋼の機械的接合方法を提供する本発明に従って構成された装置の別の実施形態の立面図である。 加熱位置にある装置の接合アセンブリを示す図９の線１０−１０の方向に沿って取った平面図である。 接合アセンブリの構造をさらに示すための、図９の一部の拡大図である。 装置の接合アセンブリをさらに示すための図９の一部の斜視図である。 機械的接合に備えて、先進高強度鋼の第１シート部分及び金属の第２シート部分をシート部分の接合位置でクリンチするために備える装置の部分図である。 シート部分同士のクリンチを実行するパンチの最初の下方移動後の接合の中間段階である。 別のサイクルのためパンチが上方移動する前の、パンチの下方移動によるシート部分同士のクリンチの完了を示す。 クリンチ−リベットダイとリベットラムによって移動されるクリンチリベットとによるクリンチ後のシート部分を示す図１３Ｃと同様の図である。 フルパンチリベットダイとリベットラムによって移動されるフルパンチリベットとによるシート部分の機械的接合後のシート部分を示す図１４と同様の図である。 リベットラムによって移動され自己穿孔リベットダイによってバックアップされた自己穿孔リベットによって互いに機械的に接合された後のシート部分を示す図１４及び図１５と同様の図である。

[0040] 必要に応じて、本発明の詳細な実施形態が本明細書に開示されるが、開示された実施形態は、様々な代替形態で具体化され得る本発明の単なる例示であることが理解されるべきである。図は必ずしも一定の縮尺ではなく、いくつか特徴は、特定の構成要素の詳細を示すために誇張又は最小化されている場合がある。従って、本明細書で開示される特定の構造的及び機能的詳細は、限定としてではなく、単に本発明を多様に使用するために当業者に教示するための代表的な基本として解釈されるべきである。

[0041] 図１を参照すると、本発明に従って構成された装置２０及び２２の２つの実施形態が、先進高強度鋼を機械的に接合するためのレーザ加熱のための本発明の方法を提供するために示されている。以下、本発明の装置及び方法の両方を、本発明の様々な態様の理解を促すために組み合わせて記載する。また、接合された先進高強度鋼は、７００メガパスカルから１５００メガパスカルまで又はそれ以上の引張強さを有する。従って、先進高強度鋼は、比較的薄いゲージで高い強度を提供することによって、従って車両燃費を向上させる一方でなおも構造強度を有する軽量構造を提供することによって、アンダーボディ構成要素などによる車体製造に使用するのに特に有用である。しかしながら、このような先進高強度鋼は硬く、そして機械的接合のために成形されることができる十分な延性がない。

[0042] 図１に示すレーザ加熱装置２０及び２２の２つの実施形態は、人間が接近することが防止されない限りレーザ加熱作業を実行することができないように制御することができる光に対して安全なワークステーション２３内にある。しかしながら、後述するように、ワークステーションは、レーザ加熱中に人間が接近することが許容されるように構成されることもできる。レーザ加熱は、界面２７（図４）を有し、図示されたようにそれぞれ下側及び上側アンダーボディ構成要素であるが他の金属構造体と同様に他の車体構成要素であってもよい先進高強度鋼の鋼片２４と金属片２６との機械的接合をもたらすために行われる。より詳細には、先進高強度鋼片２４及び金属片２６は、それぞれ、装置２０によって接合される第１シート部分２８及び第２シート部分３０を有し、また装置２２によって接合される第１シート部分３２及び第２シート部分３４を有する。先進高強度鋼のシート部分２８及び３２は、機械的接合を可能にするべくより延性であるようにレーザ加熱により直接的に加熱される。金属片２６はまた、先進高強度鋼、又は、より硬度の劣る鋼、アルミニウム等などの他の金属から作製されてもよく、そのシート部分３０及び３４は、機械的接合のためにより延性であるように、レーザ加熱によって及び／又はシート片２４のシート部分２８及び３２からの伝導熱によって加熱されてもよく、又は、されなくてもよい。

[0043] 引き続き図１を参照すると、レーザ接合装置２０は、工場の床などの水平支持体３８に取り付けられた接合アセンブリ３６を含む。装置２０によって提供されるレーザ加熱は、以下により完全に記載するように、接合作業を容易にするために、先進高強度鋼の鋼板部分２８を加熱する。装置２０はまた、互いに直交する方向に延びる水平レール４２及び４４上に概略的に図示されたライザ４１によって取り付けられた平行運動機械（ＰＫＭと呼ばれる）４０を含む。ＰＫＭ４０は、接合をもたらすために接合アセンブリ３６のダイ４８（図２及び図３）と協働するクリンチパンチ又はリベットラム４６を支持する。より具体的には、ＰＫＭ４０は、レール４２及び４４に沿って互いに直交する水平方向に異なる作業位置まで移動可能であり、この間、以下により完全に記載するように、ＰＲＭの支柱５０の伸縮によって、クリンチパンチ又はリベットラム４６を各作業ゾーン内の異なる位置及び向きに移動させる。

[0044] 引き続き図１を参照すると、レーザ接合装置２２は、５１で示され、異なる場所での接合を提供する移動用ロボット５２によって支持される接合アセンブリを含む。図示されているように、装置２２は、先進高強度鋼で作製された鋼片２４のシート部分３２の加熱を提供するためにレーザビームが供給される接合アセンブリ５１を支持する一方の端部５６を有するＣ形フレーム５４を含み、Ｃ形フレーム５４は、パンチ又はリベットラム４６を支持する別の端部５８を有する。Ｃ形フレーム５４の端部５８の接合アセンブリ５１は、機械的接合を提供するためにクリンチパンチ又はリベットラム４６と協働するダイ４８（図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃ及び図１４〜図１６）を含む。

[0045] 図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１３Ｃの進行図に示すように、装置２０及び２２の各実施形態のクリンチパンチ４６_ｐ及びクリンチダイ４８_ｃは、鋼片２４及び２６の第１及び第２シート部分を互いに接合する図１３Ｃに示すようなクリンチ接合部６０を提供するために互いに協働する。

[0046] 図１４を参照すると、クリンチリベットダイ４８_ｃｒ及びリベット６２はリベットラム４６_ｒの動作により金属片２４及び２６のクリンチリベット接合部６４を互いに提供する。

[0047] 図１５を参照すると、フルパンチリベットダイ４８_ｆｐｒ及びフル穿孔リベット６６は、フルパンチリベット接合部６８を提供するフルパンチリベット動作を提供する。この実施形態では、打ち抜かれた片は、リベットラム４６_ｒでリベット６６を押し込むことにより、ダイ４８_ｆｐｒの下に落ちる。

[0048] 図１６を参照すると、リベットラム４６_ｒによって押し込まれる自己穿孔リベットダイ４８_ｓｐｒ及び自己穿孔リベット７０は、金属シート部分２４及び２６の間に自己穿孔リベット接合部７１を提供する。

[0049] レーザの光に対して安全な限界は、米国労働省労働安全衛生局のその技術マニュアル第ＩＩＩ節：第６章のパラメータに従って変化し得る。具体的には、非ビーム危険性、生物学的影響及びレーザ危険性の分類は、特定の調査ガイドライン及び管理対策によって決定されるように特定の作業に応じて変化し得る。上記のような機械的接合のための先進高強度鋼のレーザ加熱は、人間へ暴露する恐れのない光でなければならないクラスＩＶレーザビームを必要とする。装置２０及び２２の両方は、以下に記載するように加熱を行う際に光に対して安全である。

[0050] 図４を参照すると、装置２０の接合アセンブリ３６は、垂直壁７６、床７８及び天井８０によって規定される光に対して安全なチャンバ７４を有するハウジング７２を含む。天井８０の作業場所は、チャンバ７４の上端に開口部８２を有する。接合アセンブリ３６のレーザアセンブリ８３は、チャンバ７４内に配置され、レーザ発生器８８からケーブル８６を介してレーザを受け入れるレーザコリメータ８４を含み、レーザをビーム９０として集中させ、レーザビームを、ハウジング開口部８２を介して上方に投射する。

[0051] 引き続き図４を参照すると、接合アセンブリ３６はまた、図２に示す加熱位置と図３に示す接合位置との間の金属片２４及び２６のシート部分の界面２７と平行な移動のために、この実施形態ではハウジング７２の天井８０において旋回接続部９４（図２及び図３）によって取り付けられた割り出し部材９２を含む。割り出し部材９２は、割り出し部材がレーザビーム９０による加熱のために加熱位置にあるときに、金属片２４及び２６の第１及び第２シート部分の接合箇所９８においてその天井８０のハウジング７２の開口部８２に隣接して配置される開口部９６を有する。さらに、割り出し部材９２は、割り出し部材の接合位置においてシート部分の接合箇所９８に図５に示されているように配置される前述のダイ４８を支持する。

[0052] 図２〜図５に示すように、アクチュエータ１００が、接合アセンブリ３６の割り出し部材９２を、図２、図４及び図３、図５にそれぞれ示されているその加熱位置と接合位置との間で、第１及び第２シート部分の界面２７に平行に移動させる。

[0053] このようにして、図４に示すレーザアセンブリ８３は、レーザビーム９０を、割り出し部材の加熱位置においてハウジング開口部８２及び割り出し部材９２の開口部９６を介して上方に投射し、接合箇所９８において先進高強度鋼の金属片２４のシート部分の加熱を提供し、それによりシート部分は前述の種類のいずれか１つの機械的接合作業を可能にするようにより延性になる。加熱後、アクチュエータ１００は、割り出し部材９２を、接合作業のため図５の接合位置へ、金属片２４及び２６のシート部分の界面に平行に移動させる。この加熱及び接合位置への割り出しは、迅速に実行することができるので、鋼に機械的接合のため十分な延性を提供するために加熱が実行されなければならない温度を低減する温度損失は最小である。

[0054] 図４に示すように、検出器アセンブリ１０６は、先進高強度鋼の金属片２４のシート部分が割り出し部材９２と光に対して安全に接触している場合に限り、レーザアセンブリ８３の動作を許容する。結果として、レーザ加熱の間に人間のオペレータが作業及び／又はメンテナンスを行うことができるように、レーザビーム９０は接合アセンブリ３６の外側への露出を防止するように常に封じ込められる。

[0055] 図１に示すＰＫＭ４０は、接合のための金属の移動を許容するのに必要な延性を加熱がそこでもたらす割り出し部材の接合箇所で加熱された第１シート部分と第２シート部分を互いに機械的に接合するために関連するダイ４８と協働するための図１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１４、１５及び１６に関連して先に記載したようなクリンチパンチ又はリベットラム４６を支持する。

[0056] 図１に示す制御器１０８は、図２〜図５に示すように、接合アセンブリ３６、アクチュエータ１００、レーザアセンブリ８３、検出器アセンブリ１０６、及び図１に示すクリンチパンチ又はリベットラム４６を操作し、同様に接合のための装置の他のいずれかの必要な構成要素を操作する。

[0057] 図２〜図５の実施形態に関連して前述したように、接合アセンブリ３６のこの実施形態は、図２及び図４に示す加熱位置と、図３及び図５に示す接合位置との間の移動のために割り出し部材９２をハウジング７２に取り付ける旋回接続部９４を含む。

[0058] 図６〜図８に示す接合アセンブリ３６の別の実施形態は、アクチュエータ１００の制御による図７の加熱位置と図８の接合位置との間の直進移動のために割り出し部材９２をハウジング７２に取り付ける滑り面１１０を含む。各実施形態において、アクチュエータ１００は、アクチュエータを割り出し部材に接続する連結部１１２を有する図６〜図８の実施形態による割り出し部材の移動を提供するために伸縮するシリンダである。

[0059] 図４及び図６に示すように、接合アセンブリ３６の各実施形態は、接合アセンブリハウジング７２のチャンバ７４に加圧ガスを供給するための加圧ガス源１１４と、センサ１１６及び１１８と、を含む検出アセンブリを有し、それらセンサ間に、金属片２４のシート部分による割り出し部材開口部９６の光に対して安全な密閉の欠如を表すセンサ間の十分なガス移動を検出するための検出器１２０が配置され、それによりレーザビーム９０を十分に封じ込めることができない場合にレーザアセンブリ８３がレーザビーム９０を投射することを防止する信号を制御器１０８に供給するようにする。

[0060] 同じく図４及び図６に示されるように、接合アセンブリ３６の各実施形態は、温度センサ１２２を含み、温度センサ１２２は、それが接続される制御器１０８の動作を介してレーザ加熱を制御するために、割り出し部材の開口部９６を介して接合箇所９８で金属片２４のシート部分の温度を検知する。

[0061] 図１を参照すると、前述のＰＫＭ４０は、その第１支持部１２４をキャリッジ１２６に接続する上昇部４１を含み、キャリッジ１２６は、制御器１０８の操作により選択された位置まで垂直レール４２及び４４によって直交する方向に移動するように支持されている。前述した伸縮可能な支柱５０は、三脚１３０を提供するように第１支持部１２４から第２支持部１２８まで伸び、その第２支持部は、先に記載したように接合アセンブリ５１と協働して任意の必要とされる向きでの動作を可能にする回転及び角度方向位置決めのためのパンチ又はリベットラム４６を取り付けている。支柱５０は、WORK STATION AND METHOD FOR JOINING METALLIC SHEETSという表題でMark A. Savoy及びPhillip J. I. Morganによって２０１６年９月１５日に公開された米国特許出願公開第２０１６／０２６３６４１号に開示されているものなど任意の適切な方法で伸縮可能であってよく、前出の特許出願の開示内容全体は参照により本明細書に組み込まれる。より具体的には、支柱５０は、それぞれ、ＰＫＭの第１支持部１２４に回動可能に接続された上端部及び第２支持部１２８に回動可能に接続された下端部と、細長いスクリュと、プラントキャリアを含むナットと、プラネットキャリア上で回転可能でありかつスクリュとナットとの間の相対回転により支柱の長さが変化するようにスクリュと噛合する複数のねじ付きローラと有するローラスクリュによって具体化されてもよい。

[0062] 図１及び図９〜図１２を参照すると、装置２２の他の実施形態は、ＰＫＭの代わりにロボット５２による移動のために支持されているが、以下の記述を除いて、ＰＫＭの実施形態と同じ様に動作する多くの同じ構成要素を有し、従ってそれら同じ構成要素は、先の記載の大部分が同様に適用されることができるように及び繰り返されないように、同様の参照番号が適用される。

[0063] 図９に示すような装置２２の実施形態において、Ｃ形フレーム５４を提供するハウジング１３２は、レーザコリメータ８４を支持し、及び図１１に最もよく示されているように、そのレーザビーム９０は、ハウジングによって規定される光に対して安全なチャンバ７４内で第１ミラー１３４に向かって投影する。その第１ミラー１３４は、割り出し部材９２に向かって上方に９０度反射するように第２ミラー１３６に向かってレーザビームを９０度反射し、割り出し部材９２は、その加熱位置と接合位置との間で旋回することによって、先に記載した図２〜図５の実施形態と概ね同じように機能する。この実施形態におけるアクチュエータ１００のピストン接続ロッドの伸縮は、割り出し部材９２を加熱位置と接合位置との間で移動するように旋回接続部９４の周りで旋回する。

[0064] 図９をさらに参照すると、装置２２は、接合作業を提供するためにクリンチパンチ又はリベットラム４６を垂直に移動させるローラスクリュ１３８を含む。図２〜図５及び図９〜図１２の実施形態のそれぞれは、その割り出し部材に、ねじ留めなどによる任意の適切な方法で関連する割り出し部材９２に固定されたダイインサート１４０が提供され、必要に応じてダイ４８の異なる作業間での切り替え又は交換を行う。

[0065] 本発明が特に有用な車体組立中、接合される先進高強度鋼板のシート金属片は、通常、０．７〜２ミリメートルの厚さを有し、５００〜７００℃、通常は先進高強度鋼の微細構造に悪影響を及ぼすことを避けるために７３０°Ｃ以下の温度に加熱される。加熱時間は通常約１秒であり得、割り出し時間は約０．１〜０．３秒であり得、接合を行う時間は約０．３〜０．５秒であり得、前述のようにレーザは人間の安全が保護されるクラスＩＶ又はそれと同等であり得る。従って、オペレータが図１に示される密閉されたワークステーション２３内に置かれたとしても、作業は、上述のようにレーザビームからの散乱放射を閉じ込めることにより、レーザに対して安全であり得る。さらに、利用されるレーザは、波長１，０６４マイクロメートルのファイバレーザ又は波長９８０マイクロメートルのダイオードレーザであってもよい。また、レーザ加熱及び機械的接合の間に、シート部分２８及び３０ならびに３２及び３４を互いに及び関連する装置に対して位置決めするために、任意の適切な、しかし図示されていない締付け等が用いられてもよい。

[0066] 例示的な実施形態を上に記載したが、これらの実施形態が本発明の全ての可能な形態を記載しているつもりはない。むしろ、本明細書で使用される用語は、限定ではなく説明のための用語であり、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく様々な変更を行うことができることが理解される。加えて、様々な実施形態の特徴を組み合わせて、本発明のさらなる実施形態を形成することができる。

Claims (16)

1. 先進高強度鋼を機械的に接合するための装置であって、
   シート部分の界面で金属の第２シート部分と接触する先進高強度鋼の第１シート部分に隣接して位置決めするための接合アセンブリであって、前記接合アセンブリは、開口部を有するチャンバであって、レーザに対して安全なチャンバを規定するハウジングを含み、かつ、加熱位置と接合位置との間で前記シート部分の界面に平行に移動するために前記ハウジングに取り付けられた割り出し部材を含み、前記割り出し部材は、開口部と、その開口部から間隔を空けてダイを取り付ける箇所と、を含み、前記割り出し部材の前記加熱位置において、その開口部が、前記ハウジングの前記開口部に整列し、かつ、前記第１及び第２シート部分の接合箇所に整列し、前記接合箇所において、前記割り出し部材のダイは、前記シート部分の前記接合箇所に整列して配置される、接合アセンブリと、
   前記接合アセンブリの前記割り出し部材を、その加熱位置と接合位置との間で前記第１及び第２シート部分の界面に平行に移動させるアクチュエータと、
   前記ハウジングのチャンバ内から、前記ハウジングの前記開口部及びその加熱位置にある前記割り出し部材の前記開口部を介してレーザビームを発射して、前記接合箇所において前記先進高強度鋼の前記第１シート部分の加熱をもたらすレーザコリメータを含み、加熱後、前記アクチュエータが、前記第１及び第２シート部分の界面に平行に前記接合位置へ前記割り出し部材を移動させる、レーザアセンブリと、
   前記先進高強度鋼の前記第１シート部分が前記加熱位置の前記割り出し部材とのレーザビーム放射を封じ込める接触時だけ前記レーザアセンブリの発射を許容する検出器アセンブリと、
   前記加熱された第１シート部分及び前記第２シート部分を前記接合箇所で互いに機械的に接合するために、前記割り出し部材の前記接合位置で前記ダイと協働するクリンチパンチ又はリベットラムと、
   前記シート部分の接合作業のために前記接合アセンブリ、前記アクチュエータ、前記レーザアセンブリ、前記検出器アセンブリ及び前記クリンチパンチ又はリベットラムを操作するように構成された制御器と、を備える装置。
2. 前記加熱位置と前記接合位置との間の旋回移動のために前記割り出し部材を前記ハウジングに取り付ける旋回接続部、又は、前記加熱位置と前記接合位置との間の直線移動のために前記割り出し部材を前記ハウジングに取り付ける滑り面をさらに含む、請求項１に記載の先進高強度鋼を機械的に接合するための装置。
3. 前記ダイが、クリンチ接合部を提供するためのクリンチダイ、クリンチ−リベット接合部を提供するためのクリンチ−リベットダイ、フルパンチリベット接合部を提供するためのフルパンチリベットダイ、又は、自己穿孔リベット接合部を提供するための自己穿孔リベットダイである、請求項１に記載の先進高強度鋼を機械的に接合するための装置。
4. 前記検出器アセンブリが、加圧ガスを前記ハウジングの前記チャンバに供給するための加圧ガス源を含み、かつ、前記第１シート部分が前記割り出し部材とのレーザビーム放射を封じ込める接触下にあるかどうかを検出するために前記加圧ガス源から前記チャンバへのガス流を検出する検出器を含む、請求項１に記載の先進高強度鋼を機械的に接合するための装置。
5. 前記割り出し部材の前記開口部を介して前記接合箇所における前記第１シート部分の温度を検知するための温度センサをさらに含む、請求項１に記載の先進高強度鋼を機械的に接合するための装置。
6. 前記制御器によって操作される平行運動機械（ＰＫＭ）であって、第１支持部と、前記第１支持部に取り付けられ、互いに向かって集束するように前記第１支持部から延びる３本の伸縮可能な支柱を有する三脚と、前記シート部分を互いに接続する接合を提供するために前記制御器の動作時に前記ダイと協働する前記クリンチパンチ又はリベットラムを取り付けるために前記第１支持部から間隔を空けて前記３本の支柱によって取り付けられた第２支持部と、互いに直交する水平方向の移動のために前記ＰＫＭを取り付けるレールと、を含む平行運動機械（ＰＫＭ）をさらに含む、請求項１に記載の先進高強度鋼を機械的に接合するための装置。
7. 前記接合アセンブリを支持する１つの端部を有するＣ形フレームであって、前記第１及び第２シート部分を互いに接合するために前記制御器の動作時に前記ダイと協働する前記クリンチパンチ又はリベットラムを支持する別の端部を有するＣ形フレームと、前記第１及び第２シート部分の異なる位置で接合を提供するために前記制御器の動作時に前記Ｃ形フレームを移動させるロボットと、を含む、請求項１に記載の先進高強度鋼を機械的に接合するための装置。
8. 先進高強度鋼を機械的に接合するための方法であって、
   シート部分の界面で金属の第２シート部分と接触する先進高強度鋼の第１シート部分を接合アセンブリに隣接して位置付けることであって、前記接合アセンブリは、開口部を有するチャンバであって、レーザに対して安全なチャンバを規定するハウジングを含み、前記接合アセンブリはまた、加熱位置と接合位置との間の前記シート部分の界面に平行な移動のために前記ハウジングに取り付けられた割り出し部材を含み、前記割り出し部材は、前記加熱位置において、前記ハウジングの前記開口部に整列し、かつ、前記第１及び第２シート部分の接合箇所に整列して位置付けられる開口部を含み、前記割り出し部材は、前記割り出し部材が前記接合位置にある時に前記シート部分の接合箇所に整列して配置されるダイを含む、位置付けることと、
   前記ハウジングのチャンバの内側から、前記ハウジングの前記開口部を介して、及びその加熱位置にある前記割り出し部材の前記開口部を介してレーザビームを発射して、前記先進高強度鋼の前記第１シート部分の加熱を前記接合箇所においてもたらし、加熱後、前記割り出し部材を、前記第１及び第２シート部分の界面に平行に前記接合位置に移動させることと、
   前記加熱位置にある間に前記第１シート部分と前記割り出し部材とのレーザビーム放射を封じ込める接触を検出した後にのみ前記レーザビームの発射を許容することと、
   前記加熱された前記先進高強度鋼の第１シート部分と金属の第２シート部分とを前記接合箇所で互いに機械的に接合するために、前記割り出し部材の前記接合位置で前記ダイと協働するようにクリンチパンチ又はリベットラムを操作することと、
   前記接合アセンブリの位置決め、前記レーザに対して安全なレーザビームの発射、前記先進高強度鋼の第１シート部分と前記割り出し部材との前記レーザビーム放射を封じ込める接触の検出、及び、前記クリンチパンチ又は前記リベットラムの操作を制御するように構成された制御器を使用すること、を含む方法。
9. 前記割り出し部材が、前記加熱位置及び前記接合位置の間で旋回式に移動させられる、又は直線的に移動させられる、請求項８に記載の先進高強度鋼を機械的に接合するための方法。
10. 前記接合が、クリンチ接合部、クリンチ−リベット接合部、フルパンチリベット接合部、又は自己穿孔リベット接合部を提供する、請求項８に記載の先進高強度鋼を機械的に接合するための方法。
11. 前記レーザに対して安全なチャンバからの加圧ガスの流れが、前記レーザビームの発射を制御するために検知される、請求項８に記載の先進高強度鋼を機械的に接合するための方法。
12. 前記第１シート部分の温度が、その加熱を制御するために前記接合箇所で検知される、請求項８に記載の先進高強度鋼を機械的に接合するための方法。
13. 前記制御器によって操作される平行運動機械（ＰＫＭ）が、前記シート部分を互いに接続する接合を提供するために前記ダイと協働する前記クリンチパンチ又はリベットラムを取り付けて移動させ、前記ＰＫＭは、互いに直交するレール上で移動させられる、請求項８に記載の先進高強度鋼を機械的に接合するための方法。
14. Ｃ形フレームの両端部が、接合作業を実行する前記接合アセンブリ及び前記クリンチパンチ又はリベットラムを取り付け、前記Ｃ形フレームはロボットによって支持されて移動させられる、請求項８に記載の先進高強度鋼を機械的に接合するための方法。
15. レーザに対して安全なハウジングであって、
    開口部を有するエンクロージャであって、前記開口部は作業箇所として定義される、エンクロージャと、
    コヒーレントレーザビームを生成して作動させ、前記ビームを前記作業箇所に向ける手段と、
    前記エンクロージャに取り付けられた加圧ガス源であって、前記エンクロージャの前記開口部を介して空気流を送達する加圧ガス源と、
    前記エンクロージャの前記開口部を通るガス流量を検知する手段と、
    前記エンクロージャに移動可能に取り付けられた割り出し部材であって、前記割り出し部材は、前記割り出し部材が第１位置に移動する時に前記エンクロージャの前記開口部に整列する第１開口部を有し、前記第１位置は前記作業箇所でもあり、前記割り出し部材は、前記第１開口部から間隔を空けて第２開口部をさらに有する、割り出し部材と、
    前記割り出し部材の前記第２開口部に確実に取り付けられたダイと、
    前記作業箇所の前記第１位置から第２位置まで前記割り出し部材を往復させる手段であって、前記第２位置は、前記割り出し部材の前記第２開口部を前記作業箇所の前記エンクロージャの前記開口部に整列させる、往復させる手段と、
    前記エンクロージャの前記開口部を通る既定の空気流を検知時に、前記生成して作動させる手段が、前記コヒーレントレーザビームを発射して前記作業箇所に向けるように、前記割り出し部材の前記第１開口部を覆う手段と、を備える、レーザに対して安全なハウジング。
16. 前記覆う手段は先進高強度鋼のシートを備える、請求項１５に記載のレーザに対して安全なハウジング。

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