JP2004251449A - 溶接による２枚の金属シートの結合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 絶縁材料が塗布されている金属シートを、被覆材料に導電性粒子を分散させることなく、均質化された状態で、再現可能に結合する方法を提供する。
【解決手段】 本発明の方法は、少なくとも２枚の金属シート（10、12）を積層体として重ねて結合する方法であって、少なくとも一方の金属シートが少なくともその片面に電気的な絶縁被覆（14、16）を有するものにおいて、アンビル（18）とソノトロード（22）の間に金属シートの積層体を配置し、積層体に、所定の圧力を及ぼし、かつこの圧力下において一連の超音波振動を与え、それによって金属シートを構成する金属をソノトロードの正面で局部的に溶融することからなることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、少なくとも２枚の金属シートを溶接によって結合する方法及び装置に関する。また本発明はそのような結合方法により製造された継手、パッキングに関する。

以下の説明は、板状継手、板状パッキングの適切な例について行うが、本発明による継手又はパッキングは、前述のように、他にも多数の用途に対して適用可能であり、特にシリンダヘッド用ガスケットとして使用することができる。

おおよその見当として、10分の数ミリメートルから１〜２ミリメートルといった範囲の厚みを有する薄い複数の金属シートからなる金属製のパッキング又は金属製の継手が公知である。これらの薄い金属シートは、切断され、重ねられる。必要な場合には、高度に複雑な製図に従って、リブを形成するように構成された様々な輪郭を設け、これを変形することによって、圧縮応力を集中させ、気密障壁を形成することができる。

幾つかの板状継手、板状パッキングは、一般に、排気マニホルドの継手と同様に、複数の金属シートから製造される。

また、このようにして多くの車両用内燃機関に取り付けることができる多層のシリンダヘッド用ガスケットが形成される。

この場合、シリンダヘッド用ガスケットは、エンジンの型式に応じて異なる種類、異なる厚みの複数のシートより形成されている積層体からなる。

このような積層体では、シートを完全に位置決め保持しなければならないので、これらの金属シートをスポット溶接して相互に結合することが望ましい。

周知のように、スポット溶接は、電気エネルギーを利用して、積層体の両側にそれぞれ配置された２個の電極間に非常に大きな電圧を印加することによって実施され、大電圧によってアーク、電流を発生し、金属シートの金属を局部的に溶融し、それによって溶接を行うものである。

金属シートを絶縁材料で被覆する場合に、一つの問題が生じる。実際に、膨張作用によってエンジンブロックに対してシリンダヘッドは相対的に移動するが、この移動によって発生する間隙を補償する役割を果たすために、また微小な漏れを防ぐために、ある場合には、金属シートに薄膜被覆が適用される。薄膜被覆を構成する材料は、樹脂やエラストマーの形態の炭素の化学に由来しており、利用条件に応じて、摩擦係数、硬度、気密特性に関する特別な特徴を備える。

二硫化モリブデンは、通常使用されている被覆材料であり、その絶縁特性は、電気スポット溶接が不可能となるほど高い。二硫化モリブデンからなる被覆は誘電体として機能する。

母材に対して各種の絶縁被覆を適用する様々な解決方法が存在するが、これらの被覆には導電性粒子が分散され、充填されて、被覆は導電性を示す。このとき、このような被覆には、公知技術による電気スポット溶接を使用することができる。またこのような被覆の欠点は、特定の組成を必要とし、一般には、摩擦防止材料に金属粒子を導入することにあり、このような被覆もまた、満足のいく解決方法ではない。

粒子の分布は、所定の各点において再現可能な高品質の溶接部が生成されるように、均質化されていなければならないが、これによってさらなる制約が付加される。

したがって本発明は、絶縁材料が塗布されている金属シートを、被覆の組成を修正すること、又は被覆材料に導電性粒子を分散させることなく、かつむらを生じることなく、均質化された状態で、再現可能に結合する方法の提供を課題とする。

上記課題は、特に多層継手、多層パッキングを形成するために、少なくとも２枚の金属シートを積層体として重ねて結合する方法であって、少なくとも一方の金属シートが少なくともその片面に電気的な絶縁被覆を有するものにおいて、アンビルとソノトロードチップの間に金属シートからなる積層体を配置し、この積層体に所定の圧力を及ぼし、この圧力下において一連の超音波を放出して、超音波振動を与えることにより、金属シートから構成されている金属をソノトロードの正面で局部的に溶融することを特徴とする方法によって解決される。

別の特徴によれば、ソノトロードが、積層体に圧力を及ぼすための操作手段と、積層体にソノトロードが伝達する一連の超音波を発生することができるトランスデューサ手段とを有する。

トランスデューサ手段とソノトロードの間に増幅器が配置されていることが好ましい。

また本発明は、一連の超音波によって、２枚のシート間にもたらされる局部的な溶融により形成された少なくとも一つの溶接点を含むことを特徴とする多層突合せ継手、多層板状パッキングを含む。

特に、本発明は、一連の超音波がもたらす局部的な溶融により形成された、少なくとも一つの溶接点を有するシリンダヘッド用ガスケットを含む。

これらの溶接点は、シリンダーの開口部の周辺及び/又は金属シート積層体の周辺部に形成されている。

また本発明は、少なくとも一方の金属シートが少なくともその片面に電気的な絶縁被覆を備えている少なくとも２枚の金属シートからなる積層体を点結合するために一連の超音波を使用する方法を対象とする。

本発明の目的は、特に多層継手又は多層パッキングを形成するために、少なくとも２枚の金属シート（10、12）を積層体として重ねて結合する方法であって、少なくとも一方の金属シートが少なくともその片面に電気的な絶縁被覆（14、16）を有するものにおいて、アンビル（18）とソノトロード（22）との間に金属シートからなる積層体を配置し、この積層体に所定の圧力を及ぼし、かつこの圧力下において一連の超音波を与え、金属シートを構成する金属をソノトロードの正面で局部的に溶融することからなる方法を提供することにある。

また本発明は、得られた板状継手又はシリンダヘッド用ガスケットと、金属シートの積層体との結合点を確保するための超音波の使用を含む。

本発明の構成によれば、絶縁材料が塗布されている金属シートを、被覆の組成を修正すること、又は被覆材料に導電性粒子を分散させることなく、かつむらを生じることなく、均質化された状態で、再現可能に結合する方法が提供される。

次に、添付図面を参照しながら本発明の実施形態についてより詳しく説明するが、これにより本発明を限定することを意図していない。

図１は、２枚の金属シート10、12からなる突合せ継手、板状パッキングを例示的に示す。この実施形態では、金属シートは、軟鋼、ステンレス鋼、粗鋼、アルミニウム鋼、亜鉛鋼又はニッケル鋼、あるいはアルミニウムからなる。

金属シートの厚みは0.1〜2.0ミリメートルである。

これらの金属シートは、その外面が、多数の作用及び機能を有する電気的な絶縁材料からなる被覆14、16によってそれぞれ被覆されている。この被覆は、二硫化モリブデン、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体（EPDM）、ニトリル−ブタジエンゴム（NBR）、シリコーン、ラッカー又はニスから形成されている。

この被覆の厚みは10〜1000 μmである。

少なくとも２枚の金属シートからなる積層体を点結合する装置について説明する。２枚の金属シートが、大型ブロックからなる大きな寸法のアンビル18と、治具20との間に配置される。この図においては、金属シートの細部をより明確に示すために、図示されている各構成要素の縮尺は正しく示されていない。

アンビルの金属シートに接する部分の面積は、後述するように、金属シートを受容し、治具によって及ぼされる圧力に耐えるのに十分なものである。アンビルは大型ブロックから形成されているので、治具20を介して伝達されるエネルギーを分散させることが可能である。

治具20は、実施されるスポット溶接の点の形状に適合する輪郭を備えているソノトロード22である。このソノトロードは、２枚の金属シートに一定の圧力を及ぼすことができる機械的な抵抗を有し、アンビルは、様々な応力を受容するように機能する。

ソノトロードは、超音波を発生するトランスデューサ24に密接に結合されている。

発生される超音波振動を集中させて焦点を合わせ、その最大振幅が２枚の金属シートの界面に位置するようにするために、トランスデューサから伝達される振動を増幅する増幅器26を周知のように設けることができる。ここでは、増幅器がトランスデューサとソノトロードとの間に配置されている。

トランスデューサ24は、それ自体が、初期の電気振動を発生するジェネレータ28によって作動される。

作動周波数は15KHz〜３MHzである。

少なくとも２枚の金属シートからなる積層体を点結合する方法は、ソノトロードとアンビルとの間に２枚の金属シートを配置し、超音波を発生することからなる。

意外なことに、超音波は、電気絶縁性を示し、また減衰特性も有する被覆を通過することが確認されている。

しかしながら超音波は、同時に圧力を作用させた場合に、２枚の金属シートの互いに対向する面を摩擦し、２枚の金属シートの対向面はソノトロードの正面、図１においてはソノトロードと整列する箇所で点状に溶融し、したがって対向する２枚の金属シートが溶接結合される。

圧力を及ぼしながら、一連の超音波を作用させる持続時間は、従来どおり材料に応じて決定され、当業者の理解が及ぶ範囲にある。

同様に、溶接点の位置は、部品と、様々な要求とに応じて決定される。

図２は、４気筒エンジン、すなわち４つのシリンダーの開口部32とともに、２枚の金属シート34、36の積層体からなるシリンダヘッド用ガスケット30を示す。

シリンダーの各開口部はその周辺に枠部38を含む。

超音波溶接によって得られた結合点40は、シリンダーの開口部の周辺に位置し、幾つかの結合点42はシリンダーとシリンダーとの間の領域付近に位置している。

他の結合点44は、積層体の周辺部に位置し、金属シート間の保持を行うように作用する。

断面３−３は、ソノトロードの正面に限定された溶融によってもたらされた結合点の構造を示す。

このような超音波溶接を実施する操作の際、対向する２枚の金属シート及び金属シートに施されている被覆が、治具によって圧力がもたらされる圧力面以外の箇所で劣化されていないことに注意されたい。

継手又はパッキング以外の多くの用途、特に２つの金属部品に対する用途を実例として挙げることができる。このような金属部品は、塗装が誘電体としての機能を有するため、塗装後の相互結合が必要である。

したがって塗装は、しばしば組立後に行われるが、しかし特に幾つかの部分のマスキング処理などの、より複雑な処理を必要とする。

シート材料やシートの被覆材料の厚み及び種類に応じて、いったんパラメータを決定すると、この溶接方法が再現可能であることより、再度パラメータを決定する必要がないことに注意されたい。このことは、特に品質管理の追跡調査が重要な工業的な用途に適していることを示す。

シリンダヘッド用ガスケットの場合、このようなガスケットの間隙は、車両用エンジンにとって重大かつ高価な損失を発生する可能性があるだけに、品質が重要になる。

図１〜３に示した実施形態では、被覆が、各金属シートの二面のうちの一方の面にのみ施されているが、両面ともに被覆された金属シートを利用して、超音波溶接により積層体とすることも検討可能である。

そのような場合にも、本発明による超音波溶接方法で溶接を行えることが分かる。

上記の本発明による技術の別の長所は安全面にある。事実、超音波は、溶剤又は樹脂を使用する環境において火災を引き起こすことのある短絡、火花を発生しない。装置を担当するスタッフは、閃光又は高電圧操作に関連するリスクといった危険性にさらされることが全くない。

さらに本発明による装置は、製造ラインの中心に容易に持ち込むことが可能である。

本発明による方法を実施するために使用することができる装置の概略図である。 結合点を特定するシリンダヘッド用ガスケットの平面図である。 図２の３−３線による断面図である。

符号の簡単な説明

１０ 金属シート
１２ 金属シート
１４ 被覆
１６ 被覆
１８ アンビル
２０ 治具
２２ ソノトロード
２４ トランスデューサ
２６ 増幅器
２８ ジェネレータ
３０ ガスケット
３２ 開口部
３４ 金属シート
３６ 金属シート
３８ 枠部
４０ 結合点
４２ 結合点
４４ 結合点

Claims (8)

1. 特に多層パッキングを形成するために、少なくとも２枚の金属シート（10、12）を積層体として重ねて結合する方法であって、少なくとも一方の金属シートが少なくともその片面に電気的な絶縁被覆（14、16）を有するものにおいて、
   アンビル（18）とソノトロード（22）の間に前記金属シートの積層体を配置し、
   前記積層体に、所定の圧力を及ぼし、かつこの圧力下において一連の超音波振動を与え、それによって前記金属シートを構成する金属を前記ソノトロードの正面で局部的に溶融することからなることを特徴とする方法。
2. 特に多層パッキングを形成するために、少なくとも２枚の金属シート（10、12）を積層体として重ねて結合する装置であって、少なくとも一方の金属シートが少なくともその片面に電気的な絶縁被覆（14、16）を有するものにおいて、
   前記金属シートの積層体を支持する少なくとも一つのアンビル（18）及びソノトロード（22）を含み、
   前記アンビル及び／又はソノトロードが、前記積層体に圧力を及ぼすことができる操作手段と、前記ソノトロードが前記積層体に伝達する一連の超音波を発生することができるトランスデューサ手段（24）とを有することを特徴とする装置。
3. 前記トランスデューサ手段（24）と前記ソノトロード（22）の間に配置されている増幅器（26）を含む請求項２に記載の装置。
4. 少なくとも２枚のシートからなる積層体を含み、少なくとも一方のシートが少なくともその片面に電気的な絶縁被覆を有する多層板状パッキングであって、
   前記２枚のシート（34、36）の間に、一連の超音波がもたらす局部的な溶融により形成された少なくとも一つの溶接点（40、42、44）が含まれていることを特徴とするパッキング。
5. 少なくとも２枚の金属シート（34、36）からなる積層体を含み、少なくとも一方のシートが少なくともその片面に電気的な絶縁被覆を有するシリンダヘッド用ガスケット（30）であって、
   一連の超音波がもたらす局部的な溶融により形成された少なくとも一つの溶接点（40、42、44）が含まれていることを特徴とするガスケット。
6. 前記少なくとも一つの溶接点（40、42）が、シリンダーの開口部（32）の周辺に形成されている請求項５に記載のガスケット。
7. 前記少なくとも一つの溶接点（44）が、前記金属シートからなる積層体の周辺部に形成されている請求項５又は６に記載のガスケット。
8. 少なくとも２枚の金属シートからなる積層体の点結合を行うための一連の超音波の使用方法であって、少なくとも一方のシートが少なくともその片面に電気的な絶縁被覆を有することを特徴とする方法。

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