JP2007504405A - 溶接と接着材料による接合とによって金属部材どうしを接合する方法 - Google Patents

溶接と接着材料による接合とによって金属部材どうしを接合する方法 Download PDF

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Abstract

金属部材(2,8)を接合する方法であって、部材と部材の間に接着材料(16)を装填する工程、及び、固相溶接又は溶融溶接により部材どうしを溶接する工程を有している。接着材料(16)が溶接部(18)に露出しないように、溶接部(18)は、接着材料(16)と間隔を空けて設けられる。２種類の接合(接着材料による接合と溶接)は、時間をずらして行われ、接合部は部材の中に間隔をあけて形成される。
【選択図】 図２

Description

＜１．発明の分野＞
本発明は、金属部材どうし(metal components)を接合する方法に関し、より具体的には、金属部材どうしを溶接し、溶接された部材の間に接着材料を挿入することにより、金属部材を接合する方法に関する。
＜２．従来技術＞
金属部材どうしの接合は、従来より種々の技術で行われており、溶融溶接(fusion welding)、固相接合(solid state bonding)、化学的／機械的接合、機械的係合及び締結などがある。溶融溶接では、部材は、溶融金属の融合によって接合される。部材間の溶接は、部材の溶融した金属が混合し、凝固するときに起こる。従来の溶融溶接法として、ガス金属アーク溶接(ガス・タングステン・アーク溶接)及びレーザービーム溶接がある。固相接合の場合、接合面間の界面拡散は、金属部材間の界面に熱と圧力が加えられた条件下で、部材どうしを密着させ、摩擦撹拌溶接及び鍛造の場合と同様、可塑化された金属を同時に押しつけることによって達成される。金属部材の化学的／機械的な接合には、接着材料による接合、ボルト、リベットその他の締結具等を用いた機械的係合による固定がある。
構造の冗長性(redundancy)が重要である場合、又は２つの部材間に追加のシールが必要な場合、接合部の全体性能に対して特定の有利な特性を付与するために、これら接合プロセスのうち２つを組み合わせることができる。２つの接合プロセスを使用するというこの手法は、航空宇宙産業、自動車産業及び輸送業において用いられてきた。一般的に、機械的締結具は、接着材料又はシーラントと共に、部材どうしを接合するのに使用される。機械的締結具と接着材料を用いた接合は、強くて信頼性が高い。
しかしながら、溶融溶接及び固相溶接法と、化学的／機械的な接合法(例えば接着材料の使用)を組み合わせることは問題である。同じ接合領域で２種類の方法が同時に適用される場合、又は２種類の方法が順次適用される場合でも、金属学的不適合が起こる。溶接が行われる間、接着材料(一般的に有機物質)と可塑化した高温の金属が接触すると、溶接による接合と接着材料による接合の完全性は両方とも損なわれる。溶接部の溶融金属と接着材料が接触すると、接着材料は激しく分解して炭化水素のヒューム(fumes)が発生し、これは、溶接工程中での安定性が損なわれ(例えば、溶接アーク、レーザービームにより、キーホール及び溶融プールにプラズマが生成する)、溶接部が凝固する際、汚染物質が取り込まれ(表面に、大きな開孔、クレータ、介在物及び過剰付着物の生成)、溶接部の幾何学的形状が不均一になる。溶接中に接着材料が用いられると、溶接部は、接着材料から発生するヒュームによって変形が生じ、異なる位置で珪化(petrified)が起こり、ポア及びスキップの発生の制御が困難となり、これらは全て、接合部の品質欠陥及び不均一化を招く。可塑化された高温金属が接着材料に接触すると、接着材料の一部は、金属の中に進入し、連続的(例えばフィルム状)又は断片的な汚染物質として、溶接部全体に分配される。
それゆえ、接着材料による接合と溶融溶接又は固相溶接とによって金属部材どうしを接合する方法において、これらの問題を解消できる方法が要請されている。
＜発明の要旨＞
本発明はこの要請に応えるものである。本発明の方法は、溶接による接合と、接着材料／シーラントによる接合の２種類の接合工程を物理的に分離し、及び／又はそれらの工程を順番に実行するものである。本発明の方法は、第１接合面を有する第１金属部材を準備する工程、第２接合面を有する第２金属部材を準備する工程、第１接合面と第２接合面とを溶融溶接又は固相溶接する工程、第１接合面と第２接合面の間に接着材料を装填する工程を含んでいる。接着材料は、第２接合面に形成された凹部に加えられる。第１部材には、第２接合面の凹部に接着材料を送給するための開口を設けることができる。接着材料は、溶接前に配置してもよいし(膨張可能な硬化接着材料を使用する)、溶接後、注入を制御しながら加えることもできる。
溶接部は長く引き延ばすことができるし、金属部材の溶接部と溶接部の間の複数位置に接着材料を施して、金属部材の複数の位置を溶接することもできる。第２部材の凹部は溶接部を取り囲む。
接着材料は、繊維又はメッシュのような補強材を含むことができる。補強材は、第１接合面と第２接合面の少なくとの１つの面と係合するロック用部材をさらに含むことができる。接着材料は膨張性であってよい。
本発明は、本発明の方法に基づいて接合された金属部材の組立体をさらに含んでいる。本発明の方法は、航空機の機体の第１部材(例えば外板)と第２部材(例えばストリンガー)の接合用として、又は自動車の構成部材どうしの接合用として特に適している。
本発明の完全な理解は、図面に基づく以下の説明により得られるだろう。なお、図面中、同様の部材については、同じ引用符号を用いている。
＜望ましい実施例の説明＞
以下の説明において、「上」、「下」、「右」、「左」、「垂直」、「水平」、「上面部(top)」、「底部(bottom)」及びそれらに派生する語は、図面での向きを意味するものとする。しかしながら、本発明は、特に明示した場合を除き、他の変形例及び工程順序の変更が可能であることは理解されるべきである。また、添付の図面に示され、以下の説明に記載される特定の装置及びプロセスは、発明の単なる例示であると理解されるべきである。したがって、以下に記載される実施例に関する具体的な寸法及び他の物理的特性は、それらに限定するものと解されるべきではない。
本発明は、接着材料又はシーラントを使用し、溶融溶接又は固相溶接を行なうことにより、金属部材どうしを接合する方法に関する。本発明の重要な特徴は、各プロセスによる接合を、適切な時間及び適切な場所で別々に行なうことにより、これら２種類の接合プロセスにおける不都合な相互作用を回避することができることである。本発明に係る溶接(welds又はwelding)とは、溶融溶接又は固相溶接である。適当な溶融溶接プロセスとして、ガス金属アーク溶接、レーザビーム溶接、電子ビーム溶接及び抵抗シーム溶接がある。適当な固相溶接プロセスとして、摩擦撹拌溶接(friction stir welding)、鍛造、クリンチング(clinching)及び超音波シーム溶接がある。本発明は、アルミニウム合金部材の接合用として特に適している。
図１及び図２を参照すると、露出面(4)と第１接合面(6)を有する第１金属部材(2)が、第２接合面(10)を有する第２金属部材(8)に対向するように配置される。図１では、第１部材(2)はシート製品として、第２部材(8)はリブの如き構造部材として示されている。この構成は、限定することを意味するのではなく、他の形状の金属部材どうしの接合も可能である。第１部材(2)は、該部材を貫通する少なくとも１つの開口(12)を有している。開口(12)は、第２部材(8)に形成された凹部(14)と同じ位置にある。なお、開口(12)と凹部(14)は、接着材料が開口(12)から凹部(14)へ供給される大きさに構成されている。図示の凹部(14)は、第２部材(8)に形成されているが、第１部材(2)の第１接合面(6)に形成することもできるし、部材(2)と部材(8)の両方に形成することもできる。
図２を参照すると、接着材料(16)は、開口(12)から挿入(例えば注入)され、凹部(14)に充填される。接着材料(16)は開口(12)に充填されてもよい。接着材料を凹部(14)に供給する前又は後に、部材(2)と部材(8)は、(18)の位置で溶接される。図２に示す溶接(18)は、摩擦撹拌溶接によるものである。溶接部(18)が形成される前に、(接着材料／シーラントのパッド等を設けることにより)接着材料(16)を凹部(14)に装填する場合、第２部材(8)を受け板(20)等の支持部材で支持することが好ましい。第１部材(2)が第２部材(8)に押し当てられたとき、支持部材(20)の表面が第２部材(8)を支持し、これにより、接着材料(16)が硬化するまで、接着材料(16)は第１接合面と確実に接触する。本発明で用いられる注入可能な接着材料／シーラントの例として、限定するものではないが、エポキシ系構造接着材料、シリコーン及びポリサルファイドが挙げることができる。
図３を参照すると、凹部(14)は、連続しており、溶接部(18)の全長を取り囲んでいる。部材(2)には、複数の開口(12)が設けられている。開口(12)の数と位置は、凹部(14)の大きさに依存する。溶接部(18)を取り囲む凹部(14)は、部材(2)と部材(8)の接合を強化すると共に、部材(2)と部材(8)の間の溶接部(18)を環境から封じ込める役割を有する。
図４の実施例において、シール溶接部(22)は、接着材料(16)を供給する前に、凹部(14)の周辺部の外側に作られる。受け板(20)その他の装置を用いなくても、接着材料(16)を凹部(14)の中へ供給し、部材(2)と部材(8)の縁部どうしを接合することにより、部材(2)と部材(8)間の接合が促進される。
図５に示す他の実施例の特徴は、第２部材(8)の縁部に、接着剤ダム(adhesive dams)(又はパッド)(24)が配置されることにある。接着剤ダム(24)は、凹部(14')の周辺部を占領し、第２部材(18)の縁部まで延びている。接着剤ダム(24)は、接着材料(16)を供給する前に、凹部(14')の周辺部へ挿入される。接着剤ダム(24)は、第１部材(2)と第２部材(8)の両部材に付着し、溶接中又は接着材料(16)の供給中、第１部材(2)と第２部材(8)を互いに接触状態に維持し、それにより、受け板(20)などの必要性は排除される。予め形成されたダム(24)は、テープ状のエポキシ系構造用接着材料であってよい。
前述した第１部材(2)と第２部材(8)との接合部は、一般的には、以下のプロセスによって接合される。接合されるべき部材(2)(8)は、取付具及び／又は抵抗スポット溶接若しくはリベット留め等のタックスポット溶接を使用し、選択的にシール溶接(22)又は接着剤ダム(24)を施すことにより、適切な相対的空間位置に配置される。第１部材(2)は、溶融溶接又は固相溶接により第２部材(8)へ溶接される。接着材料(16)は、開口(12)を通じて凹部(14)に注入されるが、その間、第１部材(2)は、必要に応じて受け板(20)を使用して、第２部材(8)との当接状態が維持される。接着材料(16)は、室温にて、又は加熱によって硬化する必要がある。或いは、接着材料／シーラントパッドを、溶接前に第１部材(2)と第２部材(8)の間の凹部に配置してもよく、この場合、溶接後に接着材料を注入する必要性はなくなる。
図６は、凹部が設けられていない部材を接合する実施例を示しており、溶接を行なう前、膨張性接着用部材(101)が、第１部材(102)と第２部材(108)の間に設けられている。溶接部(18)が、接着用部材(101)と接着用部材(101)の間の位置に形成される。図６に誇張して示されるように、接着用部材(101)の材料は、硬化し、サイズを拡大するものである。矢印で示される圧力は、第１部材(102)の接着用部材(101)がある位置に加えられ、部材(102)と部材(108)が接着される。
図７〜図９に示されるように、凹部(14)は、接着材料(16)に加え、補強材を含むことができる。適当な補強材として、金属繊維(110)(図７)及び金属メッシュ(図８)又はこれらの組合せ(図９)がある。図９に示す組合せでは、凹部(14)に、繊維(110)及びメッシュ(112)と共に接着材料(16)が入れられている。
本発明のさらに別の実施例では、接合されるべき両部材は、接着材料を収容するための凹部を有している。図１０において、第１部材(202)は第１接合面(206)を有し、第２部材(208)は第２接合面(210)を有している。接合面(206)には、複数の拡大部(extensions)(215a)を有する凹部(214a)が形成されている。接合面(210)には、同様に、拡大部(215b)を有する凹部(214b)が形成されている。接着材料(216)は、凹部(214a)及び(214b)の内面に配備される。ロック用部材(230)は、隣接する凹部(214a)(214b)の中に嵌め込まれるような形状に形成される。ロック用部材(230)は、プラスチック、繊維強化材料などから作られる。接着材料(216)は、ロック用部材(230)を、第１部材(202)と第２部材(206)のそれぞれに接着する役割を果たす。他の実施例の場合と同様、溶融溶接部又は固相溶接部(18)は、ロック用部材(230)を用いて、接着材料による接合部位と部位の間に形成される。凹部(214a)(215b)とロック用部材(230)については、他の構成も可能である。
本発明に係る金属部材と金属部材の組立体は、２種類の接合プロセスの構造の冗長性において有利である。溶接プロセスの多くは、ガス金属アーク溶接、レーザービーム溶接及び摩擦撹拌溶接のように熱を伴うので、溶接部及び熱影響部の機械的特性は、接合される金属の特性よりも劣る。接着材料による接合と溶接を組み合わせることにより、溶接部の強度低下分を接着材料による接合によって補うことができる。さらに、接着材料の接合により、ラップペネトレーションジョイント(lap penetration joints)等の溶接接合部の寿命低下をある程度防止することができる。接合された部材の組立体は、損傷に対する抵抗性が大きく、クラック伝播を最小にする。接着材料又は接着材料／シーラントは、部材間の界面を分離して、水分や、隙間腐食攻撃を促進させる他の腐食性物質の移動を防ぐことができる。一般的に、溶接部の縁部を接着材料から約１〜３ｍｍ離すことが有利である。
当該分野の専門家であれば、前記説明に記載された概念から逸脱することなく、本発明に変更を加えることができることは容易に理解されるであろう。そのような変更は、特許請求の範囲で明示的に別段の定めをした場合を除き、特許請求の範囲の範囲内に含まれるものと考えるべきである。それゆえ、ここに詳細に説明した実施例は、例示であって、発明の範囲を限定するものではなく、発明の範囲は、特許請求の範囲の全ての拡がり及びその均等物に与えられるべきである。
一対の金属部材の接合前の断面図である。 受け板を使用し、本発明に基づいて溶接と接着材料供給を行なった後の図１の部材を示す図である。 図２の溶接された部材の平面図である。 ２種類の部材間の接合部における溶接部と接着材料の他の構成例の断面図である。 ２種類の部材間の接合部における溶接部と接着材料の他の構成例の断面図である。 膨張性接着材料と溶接を使用して接合された一対の金属部材の断面図である。 接着材料を補強材と共に使用し、本発明に基づいて溶接接合された部材の断面図である。 接着材料を補強材と共に使用し、本発明に基づいて溶接接合された部材の断面図である。 接着材料を補強材と共に使用し、本発明に基づいて溶接接合された部材の断面図である。 ロック用部材、接着材料及び溶接を用いて接合された金属部材の断面図である。

Claims (22)

  1. 金属部材どうしが接合されてなる組立体であって、
    露出面及び第１接合面を有する第１部材と、
    第１接合面に当接する第２接合面を有する第２部材と、
    第１接合面と第２接合面の間に配置される接着材料と、
    露出面から第２部材の中に延びる溶融溶接部又は固相溶接部と、を含んでいる組立体。
  2. 第２接合面は接着材料を受け入れる凹部を有している請求項１に記載の組立体。
  3. 第１部材の露出面は、接着材料が凹部に届くように凹部に通じる開口を有している請求項２に記載の組立体。
  4. 溶接部は溶融溶接部である請求項１に記載の組立体。
  5. 溶接部は固相溶接部である請求項１に記載の組立体。
  6. 凹部は溶接部を取り囲んでいる請求項２に記載の組立体。
  7. 溶接部は細長い請求項６に記載の組立体。
  8. 複数の溶接部を有しており、接着材料は、溶接部と溶接部の間の複数の位置に配置されている請求項１に記載の組立体。
  9. 溶接部は接着材料から約１〜３ｍｍの間隔があけられている請求項１に記載の組立体。
  10. 接着材料は補強材を含んでいる請求項１に記載の組立体。
  11. 補強材は、第１接合面及び第２接合面のうちの少なくとも１つの接合面と係合するロック用部材を含んでいる請求項１０に記載の組立体。
  12. 補強部材は、複数のファイバー又はメッシュを含んでいる請求項１０に記載の組立体。
  13. 接着材料は膨張可能である請求項１に記載の組立体。
  14. 第１部材及び第２部材は航空機機体の部材である請求項１に記載の組立体。
  15. 第１部材は外板部材を含み、第２部材はストリンガーを含んでいる請求項１４に記載の組立体。
  16. 第１部材と第２部材は自動車用部材である請求項１に記載の組立体。
  17. 金属部材どうしを接合する方法であって、
    第１接合面を有する第１部材を準備し、
    第２接合面を有する第２部材を準備し、
    第１接合面と第２接合面の溶融溶接又は固相溶接と、第１接合面と第２接合面間への接着材料の装填とを任意の順序で行なう、ことを含んでいる金属部材の接合方法。
  18. 接着材料を装填する工程は、第２接合面に形成された凹部に接着材料を供給することを含んでいる請求項１７に記載の方法。
  19. 接着材料を装填する工程は、溶接前に、接着材料のパッドを凹部に配置することを含んでいる、請求項１８に記載の方法。
  20. 接着材料を装填する工程は、接着材料を、凹部と連通するように第１部材に形成された開口を通じて装填することを含んでいる請求項１７に記載の方法。
  21. 溶接工程は、第１接合面を第２接合面に溶融溶接することを含んでいる請求項１７に記載の方法。
  22. 溶接工程は、第１接合面を第２接合面に固相溶接することを含んでいる請求項２１に記載の方法。
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