JP2012509772A - 重ね溶接接合構造体の製造方法及び重ね溶接接合構造体 - Google Patents

Abstract

本発明は、溶接された重ね接合構造体を製造するための方法に関する。この方法は、少なくとも一つのベースをそれぞれ有する二つのコンポーネントを準備する工程と、ベースが互いに対向するように、且つ両コンポーネントに少なくとも一部で延びる重なり部分でコンポーネントが重なり合うように、コンポーネントを割り当てる工程と、溶接接合構造体が形成されるように重なり部分で溶接することによってコンポーネントを接合する工程と、重なり部分に対して鈍角で配置される外側切断部分がコンポーネントに形成されるように、無溶接部を取り除く工程とを含む。前記無溶接部は、前記コンポーネントを接合する工程において、重なり部分の縁部で形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、重ね溶接接合構造体の製造方法及び重ね溶接接合構造体に関する。

「溶接」という用語は、（ＤＩＮ ｓｔａｎｄａｒｄ ＤＩＮ ＥＮ １４６１０ ａｎｄ ＤＩＮ １９１０−１００によれば）追加の溶接材料を用いて又は用いずに、コンポーネントを熱又は圧力を利用して離れないように接合することとして理解される。接合は、溶接方法に応じて溶接継目又は溶接スポットでなされ、また摩擦圧接の場合には表面でなされる。溶接に必要なエネルギーは外部から供給される。

重ね溶接接合構造体を製造する間、溶接によって互い接合されるコンポーネントは、ともに溶接されるように重なり合う位置にもってこられる。

重ね接合構造体はすみ肉溶接によって縁部に沿って溶接される。また、重ね接合構造体は、さまざまな方法、例えばスポット溶接や摩擦撹拌溶接によって、材料における複数の層にわたって互いに溶接される。

重ね接合構造体が、スポット溶接、摩擦撹拌溶接、又はすみ肉接合構造体を縁部に沿って設けない他の溶接方法によって互いに接合される場合、接合ギャップが互いに接合されるコンポーネント間の溶接部の外側に生じるという問題が起こる。他にも理由はあるが、ギャップには湿気が閉じ込められる可能性があるため、ギャップは腐食の影響をうけやすくなる。湿気は、毛管作用によってギャップに入り込み、そこに残る。狭いギャップを防食剤コーティングで完全に満たすことは難しい。したがって、この種の重ね溶接接合構造体の耐久性は最適なものではない。

さまざまな技術的アプローチがあるが、その目的は前述の問題の解決法を提供することである。特に、前述の不利を解消するために、追加の充填剤が互いに接合されるコンポーネント間の重なり部分に導入される。例えば、特許出願ＵＳ ２００７／００４４４０６ Ａ１においては、熱可塑性シーラントが溶接接合構造体によって互いに接合されるコンポーネント間に設けられる。しかしながら、これらの充填剤は、高加工温度で溶接部の材料とある程度反応して、溶接過程の間に物質的な特性を変更する。

ＵＳ ２００７／００４４４０６ Ａ１

本発明の目的は、重ね溶接接合構造体の製造方法、及び前述の不利を解消する重ね溶接接合構造体を提供することである。重ね溶接接合構造体の製造のための発明に係る方法は、腐食に対して高強度と低感受性をもつ重ね溶接接合構造体を製造することを可能にする。本発明の更なる目的は、湿気又は他の媒体が閉じ込められるギャップが実際の溶接部の外側に存在しない重ね溶接接合構造体を製造可能にすることである。

前記目的は、独立請求項１又は独立請求項６の特徴を有する重ね溶接接合構造体の製造方法、及び請求項１０の特長を有する重ね溶接接合構造体の発明によって達成される。本発明の有利な実施形態及び改良は従属項で規定される。

方法について、本発明は、重ね溶接接合構造体の製造方法において、それぞれが少なくとも一つのベースを有し、且つ互いに接合される二つの平面コンポーネントを最初に設けるという考えに基づく。コンポーネントに関して、方法は、好ましくは、板金部品に使用される。板金部品は、特に望ましくは、鉄鋼、好ましくはチタニウム、アルミニウム、又は他の溶接可能な材料、例えば熱可塑性樹脂から成る。

方法のその後の工程では、コンポーネントは、ベースが互いに対向するように、且つ少なくとも一部が両ベースに広がる重なり部分において当該コンポーネントが互いに重なり合うように配置される。ベースは、平面なベース材料から突出する略平面のプラトー形隆起として想定され得る。二つのコンポーネントが互いに対向するベースで一方が他方の上面に位置するように配置される場合、コンポーネントの残りの平面部分は互いから総じて離れる。ベースは、好ましくは、ある範囲で平面なベース材料と一つにされる。

方法のその後の工程では、コンポーネントは、少なくとも一つの溶接部の構成をもつ重なり部分で溶接することによって、互いに溶接される。ここで、コンポーネントは、溶接部に沿って形成される無溶接部を重なり部分の縁部に有する。このように、溶接は、ベースが互いに隣接する部分で行われる。溶接部の隣りで広がりながら、無溶接部は依然としてベースが溶接部に沿って重なり合う部分、ベースが互いに支えられている又はギャップを形成する部分に存在する。

その後、重なるコンポーネントの材料の無溶接部が重なり部分において取り除かれる。その結果、コンポーネントの外側切断面が形成される。外側切断面は重なり部分に対して鈍角をなすように配置される。前述のように、コンポーネントがベースの重なり部分で溶接されるとき、コンポーネントが互いに載置される、又はギャップを形成する無溶接部は、溶接部の隣りに残る。これらの部分を取り除くために、溶接部の隣りの無溶接材料が取り除かれる。無溶接部は、そこに湿気が毛管作用によって集まることから、腐食の影響を受けやすい。この点で、ベースを設けることによって、前述の取り除きの間にベース外側のベース材料を破損させずに、材料を有利に取り除くことができる。

本発明の好ましい展開によれば、二つのコンポーネントが溶接されるとき、少なくとも二つの略平行な溶接部が形成される。互いの隣りで延びる複数の溶接部を備えることによって、二つのコンポーネントが接合されるときに強度が増す。個々の溶接部は、好ましくは、ギャップなしに互いの隣りに配置される。その際、より好ましくは、個々の溶接部は互いに重なり合う。これにより、湿気が個々の隣り合う溶接部の間に入り込み、そこで腐食を引き起こすことを防止することができる。

より好ましくは、重ね溶接接合構造体の製造のための発明に係る方法において、摩擦撹拌溶接が溶接方法として利用される。この溶接方法では、回転溶接具が摩擦熱を発生させるように少なくとも一つのコンポーネントに対して押圧される。この溶接方法の第一工程において、回転具は、好ましくは、そのショルダーがコンポーネントの上面に載置されるまで、二つのコンポーネント間の接合箇所のギャップに十分に強い力で押圧される。第二工程の間、回転具は数秒間、進入位置に残る。回転具のショルダーと接合構造体のパートナーとの間の摩擦のため、回転具はショルダーの下において融点未満で熱くなる。この温度上昇のために硬さが減少し、その結果材料が可塑化され、接合構造体部分の混合が可能となる。前進移動の開始は、回転具が高い接触圧力で接合構造体線に沿って動かされる第三工程の始まりを示す。前進移動から生じる、回転具の前後の圧力勾配及びその回転移動によって、回転具の周りの可塑化材料が運ばれる。そこで、材料は混ぜられて溶接部を形成する。溶接部の端部では、回転具が接合構造体部分から取り除かれる。摩擦撹拌溶接の利点は、追加ツールを必要としないこと、高溶接強度を達成できること、不活性ガスを必要としないこと、工程順序を比較的簡単にできること、広範囲の混合接続を得ることができること、及び比較的低い工程温度で溶接を行うことができることである。その結果、ひずみを低く抑えることができ、及び溶接されるコンポーネントの構造特性への影響を抑えることができる。

本発明の好ましい実施形態によれば、溶接手順の間、補助具は、コンポーネントの一つが補助具と溶接具の間で固定されるように、且つ両ベースが補助具に支えられるように配置される。摩擦撹拌溶接の間、両ベースからの材料は補助具の凹部に圧入される。この凹部は両ベースに隣接する。圧搾されている材料は実際の溶接部の外側で二つのコンポーネント間の分け目を閉じる。この手段は互いに接合されるコンポーネントを密封する。したがって、腐食をもたらす湿気が閉じ込められる、溶接部の隣りのギャップが、有利に閉じられることになる。

好ましい実施形態によれば、補助具は、少なくとも一部分で、かすり傷耐、非接着剤のコーティングをもつように設けられる。より好ましくは、このためにテフロン（登録商標）・コーティング又は好ましくはセラミック・コーティングが設けられる。これによって、加熱され溶接された材料が補助具に付着しない、又は補助具を破損しないという利点が生じる。

発明に係る重ね溶接接合構造体は、重なり部分で重なり合う少なくとも二つのコンポーネントを備える。これらのコンポーネントはそれぞれ少なくとも一つのベースを有する。ベースは互いの向きを合わせて、少なくとも一部で重なり部分に延びる。少なくとも一つの溶接部が二つのコンポーネントを接合する重なり部分に設けられる。溶接構造材料を取り除くことによって形成された外側部切断面は、溶接部の両側に形成される。この外側部切断面は、二つのコンポーネントの重なり部分に対して鈍角をなすように溶接部に沿って配置される。

重ね溶接接合構造体の製造のための発明に係る方法、及び発明に係る重ね溶接接合構造体は、溶接接合構造体に関してギャップがない接続という利点を提供する。発明に係る溶接接合構造体の耐久性は、従来技術の重ね溶接接合構造体の耐久性よりも高い。接合されるコンポーネント間に追加の充填剤を必要としない。発明に係る溶接接合構造体の耐食性は従来技術の耐食性よりも高い。これは、特に腐食の開始点を塞ぎ示すのが難しいギャップが、溶接継目の隣りの重なり合った溶接部に形成されないからである。

図１は、最初の製造段階における第一実施形態に係る本発明の重ね溶接接合構造体の概要を示す断面図。 図２は、最終状態における図１の実施形態に係る発明の重ね溶接接合構造体の概要を示す断面図。 図３は、第二実施形態に係る発明の重ね溶接接合構造体の概要を示す断面図。

以下、添付図面を参照しつつ本発明を実施の形態に基づいてより詳細に説明する。
図中、同様の又は機能的に同一の部材については、特段の明記が無い限り同一符号を付している。

図１は、最初の製造段階における第一実施形態に係る発明の重ね溶接接合構造体の概要を示す断面図である。この断面図は、摩擦撹拌溶接部１、２、３、４が、接合されるべき第一コンポーネント１０及び第二コンポーネント２０に沿って紙面内に延びるように、選択されている。第一コンポーネント１０は、図示の形態においては、その下側にベース形の隆起１６を有する。第二コンポーネント２０は、図示の形態においては、その上側にベース形の隆起２６を有する。コンポーネント１０、２０は、図１で点線として示される重なり部分３０においてベース１６、２６で重なり合う。図示の形態では、４つの摩擦撹拌溶接部１、２、３、４は、前記第一コンポーネント１０を介して上方から下方へ延び、前記第二コンポーネント２０内において互いに隣接するように形成されている。摩擦撹拌溶接部１、２、３、４は互いに側部で重なり合いながら隣接し、図示の形態においては、紙面に対して略垂直に延びる。前記二つのコンポーネント１０、２０の重なり部分３０における前記溶接部１、２、３、４の両側には、それぞれ、前記二つのコンポーネント１０、２０が溶接されていない無溶接部３２、３４が設けられている。

図２は最終状態における図１の実施形態に係る発明の重ね溶接接合構造体の概要を示す断面図である。コンポーネント１０、２０は四つの重ね溶接部１、２、３、４によって互いに溶接される。図１の無溶接部３２、３４は、切り離されて、又は取り除かれて、もはや設けられていない。このため、第一切断領域４２と第二切断領域４４とを長方形として図式的に示している。これらの切断領域４２、４４においては、二つのコンポーネント１０、２０の重なり部分３０に無溶接部３２、３４が存在せず、且つ、この二つのコンポーネント１０、２０は溶接部１、２、３、４の領域においてのみ一方が他方の上面に位置するように、材料が前記二つのコンポーネント１０、２０から切り離される。二つのコンポーネント１０、２０から材料が取り除かれることによって、第一外側切断面７と第二切断面９とが形成される。ここで、第一外側切断面７は、第二コンポーネント２２の端面に沿って延びるとともに、向かい側にあった第一コンポーネント１０のベース１６に沿って延びるように形成される。第二切断面９は、第一コンポーネント１０の端面１２に沿って延びるとともに、向かい側にあった第二コンポーネントのベース２６に沿って延びるように形成される。そして、第一外側切断面７は重なり部分３０に対して鈍角αをなすように配置され、第二切断面９は重なり部分３０に対して鈍角βをなすように配置される。

溶接接合構造体には、無溶接の重なり部分を取り除いた結果、ギャップが存在しない。したがって、腐食をもたらすように、湿気が二つのコンポーネントの重なり部分に閉じ込められることはない。よって、溶接接合構造体の耐久性を大幅に増加させることができる。

図３は、第二実施形態に係る発明の重ね溶接接合構造体の概要を示す断面図である。二つの重なり合ったコンポーネント１０、２０は、図１および図２のコンポーネントに類似するように構成され、四つの撹拌摩擦溶接部１、２、３、４で互いに溶接される。イラストの右手部分では、重なり部分３０が、ギャップのない接合をつくるために、図２の実施形態に対応するその後の機械加工作業で溶接部１まで取り除かれる。イラストの左手部分では、上右手側に凹部６２を備える補助具６０が示されている。補助具は、コンポーネント１０が補助工具６０と溶接具５０との間で固定されるとともに、両コンポーネント１０、２０が補助具６０に載置されるように配置される。両コンポーネント１０、２０からの材料は両コンポーネント１６、２６に隣接する補助具６０の凹部６２に圧入される。

結果として、この実施形態によれば、ギャップのない溶接接合構造体１が製造される。溶接している間、コンポーネントの材料は、第一コンポーネント１０と第二コンポーネント２０とにぴったりとくっつくように凹部６２に圧入されて、二つのコンポーネント１０、２０間の重なり部分３０を塞ぐ。

ここでは、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明しているが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、さまざまな方法で変更可能である。

１ 溶接部
２ 溶接部
３ 溶接部
４ 溶接部
７ 第一外側切断面
９ 第二外側切断面
１０ 第一コンポーネント
１２ 第一コンポーネントの端面
１６ 第一コンポーネントのベース
２０ 第二コンポーネント
２２ 第二コンポーネントの端面
２６ 第二コンポーネントのベース
３０ 重なり部分
３２ 第一無溶接部
３４ 第二無溶接部
４２ 第一切断領域
４４ 第二切断領域
５０ 溶接具
６０ 補助具
６２ 凹部
α 第一外側切断面と重なり部分の間の角度
β 第二外側切断面と重なり部分の間の角度

Claims (15)

1. （ａ）それぞれ少なくとも一つのベース（１６、２６）を有し、且つ接合される二つのコンポーネント（１０、２０）を準備する工程と、
   （ｂ）前記ベース（１６、２６）が互いに対向するように、且つ前記コンポーネント（１０、２０）が両ベース（１６、２６）に少なくとも一部で延びている重なり部分（３０）で重なり合うように、前記コンポーネント（１０、２０）を配置する工程と、
   （Ｃ）少なくとも一つの溶接部（１）と前記重なり部分（３０）の縁部で前記溶接部（１）に沿った無溶接部（３２、３４）とが形成されるように、前記重なり部分（３０）での溶接によって前記二つのコンポーネント（１０、２０）を接合する工程と、
   （ｄ）前記コンポーネント（１０、２０）に前記重なり部分（３０）に対して鈍角（α、β）で配置された外側切断面（７、９）を形成するように、前記無溶接部（３２、３４）を取り除く工程とを含むことを特徴とする重ね溶接接合構造体の製造方法。
2. 前記無溶接部（３２、３４）を取り除く工程は、機械加工方法、特にフライス作業で実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記コンポーネント（１０、２０）を接合する工程の間、少なくとも二つの略平行な溶接部（１、２）が、互いに隣り合うように、又はギャップなしで重なり合うように形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記第一コンポーネント（１０）のベース（１６）が前記第一コンポーネント（１０）の縁部に配置されるとともに、前記第一外側切断面（７）が前記ベース（１６）から前記向かい側のコンポーネント（２０）の端面（２２）に延びるように形成され、及び／又は前記第二コンポーネント（２０）のベース（２６）が前記第二コンポーネント（２０）の縁部に配置されるとともに、前記第二外側切断面（９）が前記ベース（２６）から前記向かい側のコンポーネント（１０）の端面（１２）に延びるように形成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記コンポーネント（１０、２０）を接合する工程の間、溶接方法として、回転溶接具（５０）が摩擦熱を発生させるように前記コンポーネント（１０、２０）の少なくとも一つに対して押圧される摩擦撹拌溶接が利用されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の方法。
6. 重なり部分（３０）で重なり合い、且つ溶接前にそれぞれ少なくとも一つのベース（１６、２６）を有する少なくとも二つのコンポーネント（１０、２０）を備える重ね溶接接合構造体であって、前記コンポーネント（１０、２０）が溶接される前に、前記ベース（１６、２６）が互いに対向するよう配置され、前記重なり部分に少なくとも一部で延び、前記二つのコンポーネント（１０、２０）を接合する少なくとも一つの溶接部（１）が前記重なり部分（３０）に設けられ、溶接構造材料を取り除くことによって形成された、側部の外側切断面（７、９）が前記溶接部（１）の両側に形成されるとともに、前記二つのコンポーネント（１０、２０）の重なり部分（３０）に対して鈍角（α、β）で前記溶接部（１）に沿って配置される重ね溶接接合構造体。
7. 両コンポーネント（１０、２０）が撹拌摩擦溶接部（１）によって互いに接合されることを特徴とする請求項６に記載の重ね溶接接合構造体。
8. 少なくとも二つの略平行な溶接部（１、２）が設けられることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の重ね溶接接合構造体。
9. 前記溶接部（１、２）は互いに隣り合うことを特徴とする請求項８に記載の重ね溶接接合構造体。
10. 前記外側切断面（７、９）は前記ベース（１６、２６）の部分にのみ設けられていることを特徴とする請求項６から請求項９のいずれか一項に記載の重ね溶接接合構造体。
11. 前記第一コンポーネント（１０）のベース（１６）が前記第一コンポーネント（１０）の縁部に配置されるとともに、前記第一外側切断面（７）が前記ベース（１６）から前記向かい側のコンポーネント（２０）の端面（２２）に延びるように形成され、及び／又は前記第二コンポーネント（２０）のベース（２６）が前記第二コンポーネント（２０）の縁部に配置されるとともに、前記第二外側切断面（９）が前記ベース（２６）から前記向かい側のコンポーネント（１０）の端面（１２）に延びるように形成されることを特徴とする請求項６から請求項１０のいずれか一項に記載の重ね溶接接合構造体。
12. （ａ）それぞれ少なくとも一つのベース（１６、２６）を有し、且つ接合される二つのコンポーネント（１０、２０）を準備する工程と、
    （ｂ）前記ベース（１６、２６）が互いに対向するように、且つ前記コンポーネント（１０、２０）が両ベース（１６、２６）に少なくとも一部で延びている重なり部分（３０）で重なり合うように、前記コンポーネント（１０、２０）を配置する工程と、
    （ｂ２）前記コンポーネント（１０、２０）の一つが補助具（６０）と溶接具（５０）との間に固定され、両ベース（１６、２６）が前記補助具（６０）に支えられ、前記補助具（６０）の凹部（６２）が両ベース（１６、２６）に隣接するように、少なくとも一つの前記補助具（６０）を配置する工程と、
    （ｃ２）少なくとも一つの溶接部（１）を形成しながら前記重なり部分（３０）で溶接することによって前記コンポーネント（１０、２０）を接合する工程とを含み、
    前記コンポーネント（１０、２０）を接合する工程では、前記重なり部分の縁部で、前記両ベース（１６、２６）からの材料が、両ベース（１６、２６）に隣接する補助具（６０）の凹部（６２）に圧入される重ね溶接接合構造体の製造方法。
13. 前記コンポーネント（１０、２０）を接合する工程の間、少なくとも二つの略平行な溶接部（１、２）が、互いに隣り合うように、又はギャップ無しで重なり合うように形成されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記第一コンポーネント（１０）のベース（１６）が前記第一コンポーネント（１０）の縁部に配置されるとともに、前記第一外側切断面（７）が前記ベース（１６）から前記向かい側のコンポーネント（２０）の端面（２２）に延びるように形成され、及び／又は前記第二コンポーネント（２０）のベース（２６）が前記第二コンポーネント（２０）の縁部に配置されるとともに、前記第二外側切断面（７）が前記ベース（２６）から前記向かい側のコンポーネント（１０）の端面（１２）に延びるように形成されることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の方法。
15. 前記コンポーネント（１０、２０）を接合する工程の間、溶接方法として、回転溶接具（５０）が摩擦熱を発生させるように前記コンポーネント（１０、２０）の少なくとも一つに対して押圧される摩擦撹拌溶接が利用されることを特徴とする請求項１２から請求項１４のいずれか一項に記載の方法。