JP2006507128A - ２個以上の構成部材を互いに結合させる方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、締結具（３）によって２個以上の構成部材（１、２）を互いに結合させる方法であって、各構成部材（１、２）は、穴を備えるとともに、前記構成部材は、前記穴が互いに重なり合って前記締結具（３）を前記穴内において受けるように配置され、前記穴内に配置される前記締結具（３）は、機械的に加圧および加熱されることで、前記締結具が変形させられて、以って前記構成部材（１、２）が互いに結合させられる方法に関し、前記締結具（３）は本質的に前記締結具の変形段階においてのみ加熱され、前記締結具から結合させられる前記構成部材（１、２）への熱伝達が最小限に抑えられる。

Description

本発明は、請求項１の前提部分にしたがって２個以上の構成部材を結合させる方法に関する。

このような方法は、多数の製品の製造に用いられうるが、以下では、本発明をいかなる形でも制限しない例証として、前記方法をどのように適用して多数の構成部材を互いに結合させて、その後の製造段階において、たとえばはんだ付けにより前記構成部材を互いに接合することを目的としてこれらの構成部材に凝集的かつ自立的な構造を形成させるようにしうるかを説明する。

たとえば航空機産業においては、さまざまな構造の製造のために、板等のさまざまな構成部材をはんだ付けまたはその他の接合方法により接合する必要がある。多数の板のはんだ付けを容易にするために、これらの板は、はんだ付け段階において、互いに対して固定されなければならない。固定具またはいわゆるはんだ付け冶具が、この目的のために用いられうる。しかしながら、構造が多数の構成部材からなる場合または複雑な形状を有する場合は、このことがはんだ付け冶具の設計に多大な要求を課す。複雑なはんだ付け冶具は高額の製造費に繋がるという事実に加えて、はんだ付け段階において取扱い困難でもある。

はんだ付け冶具を使用しなくても済むようにするひとつの方法は、はんだ付け冶具を使用する代わりに板を予め自立形構造に組み立てた後にはんだ付けすることである。このような事前組立ては、構成部材を互いに溶接またはリベット締めすることによって達成できる。しかしながら、金属間合金、たとえばＴｉＡｌ、ＮｉＡｌおよびＦｅＡｌ等の脆性材料を用いる場合には、従来式の溶接およびリベット締めは、亀裂の発生により、該材料と完成品の特性とに悪影響を与えることがある。

金属間合金のＴＩＧおよびＥＢ溶接のためには、構造の各部分または構造全体の複雑な予熱および／または後熱を行なって、大きい温度勾配の結果としての溶接継目または母材における亀裂および／または膨張を防ぐことが必要になる。この工程とこうした熱処理を行なうのに必要とされる設備とのいずれもが高い費用を要する。

従来式の熱間リベット締めもまた、構造において大きい温度勾配をもたらして亀裂を生じることがある。さらにまた、ＩＮ６００等の従来材料製のリベットによるリベット締めは、リベットの材料と互いにリベット締めされる金属間化合物製の構成部材の材料との間における熱膨張率の差が大きいために熱疲労割れをもたらすことがある。より高い温度において、材料の熱膨張率の差は、リベットが構成部材を互いに保持する力に影響を及ぼす。リベットが、該リベットにより互いに保持される構成部材より高い熱膨張率を有する場合は、より高い温度において、構成部材が互いに保持される力が低下する。加えて、リベットと板とにおける合金の組成の相違は、たとえばその後の構成部材のはんだ付け時に、リベット穴に最も近接する材料内における望ましくない脆性相の形成をもたらす。

本発明の目的は、導入部に記載の種類の方法において、こうした従来周知である方法の前記欠点の少なくともひとつが実質的に緩和される方法を提供すること、すなわち締結具によって構成部材を互いに結合させる方法において、特に脆性の材料でも、材料に、該材料内における亀裂または望ましくない脆性相の形成という形で過度に悪影響を及ぼすことなしに互いに結合させることができる方法を提供することにある。

本発明によれば、この目的は、前記締結具が、本質的に、該締結具の変形段階においてのみ加熱されるという点において達成される。これにより、締結具から互いに結合させられる構成部材への熱伝達が最小限に抑えられる。熱は、締結具のみに、該締結具を関連ある荷重下において所要の度合いに変形させるのに必要とされる程度だけ供給されなければならない。このことは、さらにまた、構成部材が、大きい温度勾配を伴うことなしに、相対的に低い温度に維持でき、かつ構成部材の材料の特性が結合時に大体において影響を受けないままに維持できることを意味する。さらにまた、このようにすると、結合のために用いられるエネルギー量を効率的に利用することが可能になる。

本発明にしたがった方法の主要な利点は、予熱されない構成部材と予熱されない締結具とを用いることができるところにある。結合前に、構成部材と締結具とは、標準室温等の周囲温度または該温度に近い温度とされうる。このことは、結合前および後における構成部材の熱処理のための費用のかかる工程および装置なしで済ますことを可能にする一方で、構成部材に有意な悪影響を及ぼすことなしに結合が行なわれうる。

本発明にしたがった方法の好適な実施例において、締結具は、最初に圧力荷重を受け、その後、締結具は、圧力荷重を維持しながら加熱される。このようにすると、締結具の変形シーケンスの開始が、締結具への熱の供給によって制御でき、前記熱は、締結具を介して電流を通すことによって適切に得られる。締結具に熱を伝達するために電流を用いることは、相対的に制御容易であるという利点、すなわち電流の強さと締結具を介して電流を流さなければならない時間とを関連ある材料と寸法パラメータとに合わせて調節して、所要の熱伝達を起こしうるという利点を有する。

本発明にしたがった方法のまた他の好適な実施例において、締結具は、工具によって加圧され、締結具の変形後に、加圧工具と締結具との間の機械的接触が維持されて、締結具から加圧工具への熱伝達により締結具の冷却ができる。以って、変形した締結具内に存在する過剰な熱は、こうした熱伝達を促進させるために冷却可能の加圧工具により大部分は吸収でき、締結具により結合される構成部材への望ましくない熱伝達は、このようにしてさらに減じることができる。

結合を達成するための適切な工具は、２個の電極を有する複合式加圧および加熱工具であり、これらの電極の間に締結具が配置されるとともに、これらの電極によって圧力が締結具に加えられうる一方で、締結具の変形段階において前記電極間を流れる電流により熱の締結具への供給が可能である。熱は、さらにまた、前記電極が締結具より低い温度を有するという点において、変形段階後に引き続き締結具からの放散が可能である。

本発明にしたがった方法のその他の利点は、以下の詳細な説明とその他の従属請求項とに記載されている。

本発明は、さらにまた、金属間合金製の２個以上の構成部材を本発明にしたがった方法により互いに結合させるための金属間合金製のリベットに関する。

本発明は、さらに、本発明にしたがった方法を用いて製造される航空機構成部材と、はんだ付けにより互いに接合され、かつ互いにはんだ付けされるとともに１個以上の金属間合金製リベットを有する２個以上の金属間合金製構成部材からなる製品であって、前記製品は、はんだ付けに先立って本発明にしたがった方法によってこれらの構成部材を結合させることで得られ、前記結合は、はんだ付け時において前記構成部材を実質的に互いに固定して保持するために行なわれる製品と、本発明にしたがった方法を用いて、１個の単位体を形成する１個以上の構成部材の少なくとも一時的な結合状態を、たとえば前記単位体のはんだ付け等のその後の処理を行なうために創出することとに関する。

添付図面を参照して、以下に本発明の好適な実施例を例証として説明する。
図１〜４を参照して、以下に本発明にしたがった方法をより詳細に説明する。

結合させられる２個以上の構成部材１、２は、貫通穴を備え、前記構成部材１、２は、これらの穴が互いに重なり合って前記穴内において締結具３を受けるように配置される。締結具３は、構成部材１、２の全厚を超える長手寸法を有して、該締結具の部分４が前記穴および構成部材の外側に突出するとともに、以って変形、すなわち最も近接する構成部材１の方への圧縮と締結具３の前記部分４の断面の同時膨張とを受けさせるようになっている。前記穴内に配置された締結具３は、締結具３を変形させるために機械的に加圧されるとともに加熱されて、以って構成部材１、２を互いに結合させる。

本発明にしたがった方法において、締結具３は、本質的に締結具の変形段階においてのみ加熱されて、締結具３からの結合させられる構成部材１、２への熱伝達が最小限に抑えられる。「本質的に締結具の変形段階においてのみ」という表現は、締結具を変形させて結合状態を創出する前または後に、熱が供給されないことを表すことを意図されている。したがって、締結具３は、構成部材内の穴に該締結具が配置されるときには予熱されず、従来的な意味の予熱が変形段階前に行なわれないだけでなく、構成部材１、２を予熱する必要もない。しかしながら、以下の説明から明らかになるように、熱が締結具に供給された瞬間に変形が起こるのではなしに、熱の供給と変形との間において、おそらくある一定の遅れが生じることから、締結具３へのある一定の熱伝達が変形前に起こりうる。同様に、システムにおいて起こりうるヒステリシスのために、ある一定の熱供給が変形直後に生じうる。しかしながら、目的は、締結具の変形が行なわれた後の締結具３への、以って構成要素１、２への熱伝達を最小限に抑えることにある。

図１に、２枚の板１、２を互いに結合させるリベット３に荷重を加える方法が示されている。リベット３を高温状態において変形させうるだけの荷重Ｆは、締結具３に対して、複合式加圧および加熱工具７の２個の電極５、６を該電極間にリベット３が配置された状態で互いに対して直線的かつ互いの方向に移動させることによって加えられる。一方の電極５は、適切に固定されるとともに、たとえばリベット３の頭側端部８を収容できる一方で、他方の電極６は、リベットの他方の端部９および第１の電極５の方向（およびそれと逆方向）に直線移動するように設計される。これに代わる方法として、いずれの電極５、６も、直線移動するように設計してよい。

図２に、その後の段階において、電圧源１５によって電圧を電極５、６に、以ってリベット３に印加する方法が示されている。この段階は、加圧状態のリベット３を介して電流を通して該リベットが加熱されるようにして、その結果として、リベット３が該リベットの加圧と温度上昇とにより変形させられ、然る後に電流が直ちに除去されるとともにリベット３への熱供給を停止する段階を含む。ある一定の遅れが電流とリベット３における発熱との間において起こりうることにより、ある場合には、電流供給を完全な変形が生じる前に遮断して、過度の量の熱がリベット３に伝達されることを防がなければならないかもしれない。電流の強さと通電時間とは、当然ながら、実際のリベット締め作業時において一般的な、板１、２の材料および寸法によるリベットの寸法および材料等の異なる条件に合わせて調節される。通電時間は、１秒未満〜約１秒の範囲内であることが多い。電圧源１５に関しては、交流電圧源と直流電圧源との両方を使用して所要の電流を発生させることが可能である。

その後、図３に示されているように、リベット３に対する荷重が維持されるか、またはたとえ荷重Ｆが軽減または除去されても少なくとも電極５、６とリベット３との間における機械的接触が維持されて、リベット３が電極５、６によって冷却され、すなわちリベット３内のどんな余剰熱でも板１、２にではなしに電極に伝達される。しかしながら、亀裂を防ぐためには、冷却過程において荷重を維持することが有利である。このようなリベット３の冷却は、一般に、１秒〜数秒で完了する。リベット３の変形後にリベット３から加圧工具７への熱伝達を容易にするために、加圧工具７は、従来装置によって冷却できる。前記方法または少なくとも締結具３の加熱は、不活性ガスを含有する雰囲気内において適切に行なわれて、締結具３および／または構成部材１、２の酸化が最小限に抑えられ、このことには、実際にはおそらくある程度は、結合させられる構成部材１、２をこうした雰囲気内に配置することも含まれる。

変形後、すなわちリベット３の据込み後に、電極５、６および構成部材１、２は、互いに対して移動させられて、必要な場合には、さらに他のリベットを用いて構成部材１、２のまた他の位置においてリベット締めが行なうことができる。

特に好ましくない形状および／または好ましくない寸法により、依然として亀裂または材料に対するその他の望ましくない影響の危険性がある場合は、この危険性は、たとえばリベット座金１０の形態をとる保護部材１０を用いることによってさらに減じることができる。図１において略図に示されているように、このリベット座金１０は、一方の構成部材１に当接してリベット３の変形端部９において該リベットのまわりに配置されうる。このようにすると、その後のリベット３の変形時において、該リベットの熱間変形材料と板１との間における直接的な接触が防がれ、このことは、最大温度勾配がリベット３と板１との間ではなしにリベット３とリベット座金１０との間において生じることを意味する。

図１、２および３に示される締結具３は、本発明の範囲から逸脱することなしに、多数の異なる方法で設計してよい。前記例の締結具３は、円形断面を有する細長部分１１と一方の端部８に設けられる頭部１２とを有するが、締結具のその他の実施例も可能である。たとえば、頭部１２を排除することもできるが、その場合には逆にリベットの変形を制御するためにより進歩したリベット締め装置が必要になる。リベット３が、頭部を備える場合は、この頭部を沈頭リベット締め用および丸頭リベット締め用のいずれにも設計できる。異なる種類の頭部１２、１２ｂ、１２ｃを有する３個の異なるリベット３ａ、３ｂ、３ｃの例が図４に示されており、これらの内の１個のリベット３ｂは、沈頭リベット締め用に設計されている。

当然ながら、その他の従来装置を本発明にしたがった方法と一緒に用いることもできる。たとえば、リベット締め作業時において板を互いに押圧する装置は、それが必要とされる場合に用いてよい。

構成部材１、２を互いに結合させるために必要とされる、該構成部材の穴抜きは、穴あけ、放電加工または水切断等の従来方法により行なうことがきる。穴の形状および大きさとリベットの形状および大きさとを互いに一致させて、リベットが穴内に配置されているときにリベットを変形させることによって所望のリベット締め接続が達成できるようにする。実質的に同じ直径を有する円形断面の穴とリベットとを用いることが好ましいが、異なる断面のリベットを用いることも可能である。穴抜きは、結合させられる構成部材に対して同時に行なうか、または各構成部材に対して別々に行なうことができる。構成部材のその後の処理において構成部材の接合を容易にするために、はんだ箔（図示せず）等の材料層が、穴抜きの前または後に構成部材間に配置されうる。このはんだ箔は、その後、構成部材を互いにはんだ付けするために用いられる。構成部材を互いにはんだ付けすることにより、互いにリベット締めされただけの一時的な製品に比べて大幅に高い負荷伝達容量を有する恒久的な製品を得ることができる。

さらにまた、１個を超える加圧工具または多数のリベットに同時に適用可能な１個の加圧工具、たとえば１対を超える電極を有する１個の工具を使用することにより、多数のリベットを本質的に同時にリベット締めすることができることも付け加えておくべきである。

本発明にしたがった方法は、金属間合金等の脆性材料を互いに結合させるのに特に適しており、金属間合金群に含まれる材料のリベットが、この目的に好適に用いられる。金属間合金の分類に含まれる合金の例は、ＴｉＡｌ、ＮｉＡｌおよびＦｅＡｌである。本発明にしたがった方法を用いて航空機産業における使用に適する製品を製造することを目的とした実験は、成功裏に行なわれた。たとえば、前記方法は、１ｍｍの厚さのＴｉＡｌ製の板に適用された。前記板を互いに結合させるためにＴｉＡｌ製のリベットが、リベット締め後に前記板を互いにはんだ付けするのに５０μｍの厚さのはんだ箔チクニ（Ticuni）７０が用いられる。

本発明は、本明細書に記載の本発明の実施例に制限されるわけではなく、以下の特許請求の範囲によってのみ制限されることを強調しておくべきである。本発明の考え方を熟知すれば、当業者には、おそらく、本発明の範囲内に含まれる多数の改変態様が自明となろう。

２個の構成部材を互いに結合させる締結具を２個の電極によって加圧する方法を示す略断面図である。 締結具に電圧を印加して締結具を変形させる方法を示す、図１に対応する略断面図である。 締結具の変形後に電圧を除去する一方で締結具と電極との間における接触を維持する方法を示す、図１に対応する略断面図である。 本発明にしたがった方法において用いられる３個の異なる締結具の例を示す略側面図である。

Claims (19)

1. 締結具（３）によって２個以上の構成部材（１、２）を互いに結合させる方法であって、各構成部材（１、２）は、穴を備えるとともに、前記構成部材は、前記穴が互いに重なり合って前記締結具（３）を前記穴内において受けるように配置され、前記穴内に配置される前記締結具（３）は、機械的に加圧および加熱されることで、前記締結具が変形させられて、以って前記構成部材（１、２）が互いに結合させられる方法において、前記締結具（３）は本質的に前記締結具の変形段階においてのみ加熱されて、前記締結具から結合させられる前記構成部材（１、２）への熱伝達が最小限に抑えられ、結合は、前記締結具（３）と前記構成部材（１、２）とのいずれもが金属間合金群の材料に含まれる同一または同様の合金により製作されて行なわれることを特徴とする方法。
2. 前記締結具（３）は、最初に加圧されるとともに、然る後に前記加圧を維持しながら加熱されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記締結具（３）は、工具（７）によって加圧され、前記加圧工具（７）と前記締結具（３）との間における機械的接触が、前記締結具の変形後に維持されて、前記締結具（３）から前記加圧工具（７）に熱を伝達することによって前記締結具が冷却されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記締結具の変形後に、前記加圧工具（７）を冷却して、前記締結具（３）から前記加圧工具への熱伝達を容易にすることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 保護部材（１０）が、前記締結具（３）の変形端部（９）に配置されて、前記締結具（３）の変形時において前記締結具の熱間変形材料と、前記締結具（３）の前記変形端部（９）に最も近接して配置される前記構成部材（１）との間における直接的な接触が防がれることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 前記構成部材（１、２）は、予熱されない状態で互いに結合させられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. 前記締結具（３）は、予熱されない状態で前記穴内に適用されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
8. 前記締結具（３）は、複合式加圧および加熱工具（７）を用いて加圧および加熱されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
9. 前記締結具（３）は、前記複合式加圧および加熱工具（７）の２個の電極（５、６）間において加圧されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記締結具（３）は、前記締結具（３）を介して電流を通すことにより加熱されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。
11. 前記締結具（３）は、不活性ガスを含有する雰囲気内において加熱されて、前記締結具（３）および／または前記構成部材（１、２）の酸化が最小限に抑えられることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記締結具（３）の変形に先立って、はんだ箔等の材料層が前記構成部材（１、２）間において配置されて、その後の処理において、前記材料層によって前記構成部材が互いに接合されることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記構成部材（１、２）は、少なくとも一時的に互いに結合させられて、前記構成部材が実質的に互いに固定された状態の自立形構造を形成した後に、その後の製造段階において接合されて、意図される負荷伝達構造要素を形成することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記構成部材（１、２）は、はんだ付けによって接合されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. はんだ付けにより互いに接合され、かつ互いにはんだ付けされるとともに１個以上の金属間合金製リベットを有する２個以上の金属間合金製構成部材からなる製品であって、前記製品は、はんだ付けに先立って本発明にしたがった方法によってこれらの構成部材を結合させることで得られ、前記結合は、はんだ付け時において前記構成部材を実質的に互いに固定して保持するために行なわれる製品
16. 請求項１乃至１４のいずれかに記載の方法を用いて製造される航空機構成部材。
17. 金属間合金により製作されて、金属間合金製の２個以上の構成部材（１、２）を請求項１乃至１４のいずれかに記載の方法により互いに結合させるリベット（３）。
18. ＴｉＡｌ、ＮｉＡｌまたはＦｅＡｌ合金により製作される請求項１７に記載のリベット（３）。
19. １個の単位体を形成する１個以上の構成部材（１、２）の少なくとも一時的な結合状態を、たとえば前記単位体のはんだ付け等のその後の処理を行なうために創出する目的でなされる、請求項１乃至１８のいずれかに記載の使用方法。

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