JP2017064773A - 二つの部材の溶接方法、およびその方法によって溶接された接合部材 - Google Patents

Abstract

【課題】二つの部材を、美観を損なうことなく、短時間の内に非常に容易に、かつ、強固に溶接することが可能な溶接方法を提供する。
【解決手段】第一部材ａの挿入穴１に、第二部材ｂの嵌入部３の先端（下端）の溶融部５を挿入して、挿入穴１の上端の周縁部分を溶融部５の外周面に接触させる。そして、その状態で、抵抗溶接機を用いて、第一部材ａの外面（下面）と、第二部材ｂの外面（上面）に電極を配置させ、第一部材ａの外面（下面）と第二部材ｂの外面（上面）との間に、所定の圧力を加えた状態で所定量の電流を所定の時間だけ印可することによって、第一部材ａの挿入穴１に第二部材ｂの嵌入部３が挿入した状態となるように第一部材ａと第二部材ｂとを溶接した。
【選択図】図１

Description

本発明は、二つの部材を溶接する方法、およびその溶接方法によって形成される接合部材に関するものである。

鋼管と鋼管との接合、鋼管とフランジとの接合、鋼管とソケットとの接合等においては、従来、アルゴンガス溶接、アーク溶接等の溶接方法や、特許文献１の如く、主管部材（主部材）の外周壁に設けられた管状突起に分岐管（従部材）を外嵌してロウ付けする方法が用いられていた。

しかしながら、アルゴンガス溶接やアーク溶接によって第一の部材（主部材）に第二の部材（従部材）を溶接すると、広範囲に亘る加熱によって接合部分が盛り上がったり、スパッタが生じたりして、接合部分の外観を悪化させてしまう虞れがある。また、特許文献１の如き接合方法も、分岐管（従部材）の外周からロウ付け（あるいは溶接）することに起因して、アルゴンガス溶接やアーク溶接と同様に、主部材と従部材との接合部分の外観を悪化させてしまう虞れがある。さらに、主部材と従部材とを隙間なく接合するためには、主部材に筒状突起を形成しなければならず、接合作業に手間がかかる、という不具合もある。

それゆえ、第一の部材と第二部材との接合部分に所定量の電流を流すことによって、二つの部材の抵抗に基づくジュール熱を利用して二つの部材の界面同士を溶融接合させる方法、所謂、抵抗溶接方法が開発されている。かかる溶接方法によれば、二つの部材を短時間の内に美観を損なうことなく溶接することが可能となる。

実開昭５７−４４６１５号公報

しかしながら、上記した抵抗溶接方法は、二つの部材を、美観を損なうことなく短時間の内に容易に接合することが可能であるものの、二つの部材の接合界面の形状によっては、必ずしも両部材を強固に接合することができなかった。

本発明の目的は、上記従来の接合方法（溶接方法）の問題点を解消し、二つの部材（金属製部材）を、美観を損なうことなく、短時間の内に容易に、かつ、非常に強固に溶接することが可能な溶接方法を提供することにある。また、その溶接方法によって接合（溶接）される接合強度が非常に高く美観がきわめて良好な接合部材を提供することにある。

本発明の内、請求項１に記載された発明は、第一部材と第二部材とを溶接するための溶接方法であって、第一部材に、円柱状の挿入穴を設ける一方、第二部材に、円筒状の嵌入部を設け、かつ、その嵌入部の先端に、基端から先端にかけて次第に小径となるように溶融部を設け、なおかつ、その溶融部の先端を第一部材の挿入穴より小径に形成するとともに、第一部材と第二部材との接合部分に所定の圧力を加えた状態で、第一部材の挿入穴の内周縁と第二部材の溶融部との間に電流を流す抵抗溶接により前記溶融部を溶融させることによって、第一部材の挿入穴の内部に第二部材の嵌入部を嵌め込んだ状態で、第一部材の挿入穴の内周面と、第二部材の嵌入部の先端部分とを溶接することを特徴とするものである。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、第二部材の嵌入部が、第一部材の挿入穴より大径に形成されていることを特徴とするものである。なお、第二部材の嵌入部（円柱状）の径（直径）は、第一部材の挿入穴（円柱状）よりも０．２〜１．５ｍｍ大きいと好ましく、０．５〜１．０ｍｍ大きいとより好ましい。

請求項３に記載された発明は、第一部材と第二部材とが溶接されている接合部材であって、第一部材が、円柱状の挿入穴を設けたものであり、第二部材が、第一部材の挿入穴より大径の嵌入部を設け、かつ、その嵌入部の先端に、基端から先端にかけて次第に小径となるように溶融部を設け、なおかつ、その溶融部の先端を第一部材の挿入穴より小径に形成したものであり、第一部材の挿入穴の内周面と、嵌入部の先端部分とが溶接されていることを特徴とするものである。

請求項１に記載の二つの部材の溶接方法は、抵抗溶接によって第二部材の溶融部を溶融させ、その溶融物によって、第一部材の挿入穴の内周面と、第二部材の嵌入部の先端部分とを溶接するものであるので、二つの部材を、短時間の内に容易に、かつ、安価に、しかも非常に強固に接合することができる。また、従来のアルゴンガス溶接、アーク溶接やロウ付けと異なり、きわめて小さな領域のみを溶融させるだけで良い上、その溶融部分が外から見えないため、第一部材と第二部材との接合部分の美観を良好なまま保つことができる。さらに、第一部材の挿入穴の内部に第二部材の嵌入部を嵌め込んだ状態で、第一部材と第二部材とを溶接するものであるので、曲げモーメントに対する接合部分の耐力をきわめて高いものとすることができる。

請求項２に記載の二つの部材の溶接方法は、第二部材の嵌入部が第一部材の挿入穴より大径に形成されており、抵抗溶接時に大径の嵌入部を軟化させて小径の挿入穴内に嵌め込むものであるので、嵌入部と挿入穴との接合度合いを緊密なものとして、第一部材と第二部材との界面の接合強度をより高いものとすることができる。

請求項３に記載された接合部材は、第一部材と第二部材との接合界面が溶融した金属（第二部材の溶融部の溶融物）によって隙間なく満たされているので、非常に接合強度が高い。また、第一部材の挿入穴の内部に第二部材の嵌入部を嵌め込んだ状態で、第一部材と第二部材とが溶接されているため、曲げモーメントに対する接合部分の耐力がきわめて高い。さらに、表面から見えない微少な領域のみが溶接されているだけであるため、美観がきわめて良好である。

実施例１において二つの部材を溶接する様子を示す説明図である。 実施例１において二つの部材を溶接する様子を示す説明図（図１（ｂ）のＡ部分の拡大図）である。 実施例２において二つの部材を溶接する様子を示す説明図である。 溶接方法の変更例を示す説明図である。

以下、本発明に係る二つの部材の溶接方法および接合部材の一実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。

＜実施例１＞
図１は、本発明に係る溶接方法によって二つの部材を溶接する様子を示したものであり、第一部材ａは、金属（ステンレス）によって所定の厚みを有する扁平な円柱状に形成されており、その中央を貫通するように、直径約５７ｍｍの略円柱状の挿入穴１が設けられている（すなわち、第一部材ａは、ドーナッツ状になっている）。

一方、第二部材ｂは、金属（ステンレス）によって、外径（直径）が６０．５ｍｍで内径（直径）が５３．５ｍｍの円筒状に形成されている。また、先端には、外径（直径）が５８ｍｍで内径（直径）が５３．５ｍｍで高さが２．５ｍｍの円筒状の嵌入部３が、他の部分（円筒本体４）と同心になるように突設されている。さらに、嵌入部３の下端には、厚さ約０．５ｍｍの溶融部５が一体的に設けられている。当該溶融部５は、基端から先端（下端）にかけて次第に小径となるテーパ面状になっており（すなわち、鉛直断面において外側の端縁が内向きに傾斜した直線状になっており（図２参照））、先端の幅が約５６ｍｍであり、第一部材ａの挿入穴１の内径よりも小さくなっている。

それらの二つの部材を溶接する場合には、挿入穴１の上端の周縁部分を、第二部材ｂの嵌入部３の下方の溶融部５に接触させる（図２参照）。そして、その状態で、抵抗溶接機（図示せず）を用いて、第一部材ａの外面（下面）と、第二部材ｂの外面（上面）に電極を配置させ、第一部材ａの外面（下面）と第二部材ｂの外面（上面）との間に、所定の圧力（約６６ＫＮ）を加えた状態で所定量の電流（約９７ＫＡ）を所定の時間（０．１秒）だけ印可する。

そのように、圧力を加えながら電流を印可することによって、きわめて短時間の内に、発熱したジュール熱によって第二部材ｂの嵌入部３が軟化して第一部材ａの挿入穴１の内部に嵌まり込むとともに、溶融部５が溶融して、その溶融物が第一部材ａの挿入穴１の内周面と、第二部材ｂの嵌入部３とを融着させるとともに、短時間の電流の印可後に直ちに冷却されて固化する（図１中のα部分）。

＜実施例１の溶接方法の効果＞
上記実施例１の如き溶接方法によれば、二つの部材（第一部材ａと第二部材ｂ）を、短時間の内に容易に、かつ、安価に、しかも非常に強固に接合することができる。また、従来のアルゴンガス溶接、アーク溶接やロウ付けと異なり、きわめて小さな領域のみを溶融させるだけで良い上、その溶融部分が外から見えないため、第一部材ａと第二部材ｂとの接合部分の美観を良好なまま保つことができる。さらに、第一部材ａの挿入穴１の内部に第二部材ｂの嵌入部３を嵌め込みながら、第一部材ａと第二部材ｂとを溶接するものであるので、曲げモーメントに対する接合部分の耐力を非常に高いものとすることができる。さらに、実施例１の溶接方法によれば、抵抗溶接時に大径の嵌入部３を軟化させて小径の挿入穴１内に嵌め込むことができるので、嵌入部３と挿入穴１との接合度合いを緊密なものとして、第一部材ａと第二部材ｂとの界面の接合強度をより高いものとすることが可能となる。また、内部隙間がなくなることで液溜りによる隙間腐食を防止することができる。

＜実施例２＞
図３は、上記実施例１とは形状が異なる二つの部材を、本発明に係る溶接方法によって溶接する様子を示したものであり、第一部材ｃは、金属（ステンレス）によって、外径（直径）が６０ｍｍで内径（直径）が４１ｍｍの円筒状に形成されている。そして、円柱状の貫通穴１１の上端際の部分には、扁平なリング状（円柱状）の第一環状凹部１２が、貫通穴１１と同心になるように設けられており、その第一環状凹部１２の内径（直径）が、貫通穴１１の内径より大きくなっている（４１．７ｍｍ）。なお、実施例２においては、この第一環状凹部１２が挿入穴として機能する。さらに、その第一環状凹部１２の上方には、扁平なリング状（円柱状）の第二環状凹部１３が、貫通穴１１および第一環状凹部１２と同心になるように設けられており、その第二環状凹部１３の内径（直径）が、第一環状凹部１２の内径（直径）より大きくなっている（４２．７ｍｍ）。また、第一環状凹部１２の深さ（高さ）は、２ｍｍになっており、第二環状凹部１３の深さ（高さ）は、１０ｍｍになっている。

一方、第二部材ｄは、その本体部分が、金属（ステンレス）によって、外径（直径）が４２．７ｍｍで内径（直径）が３９．４ｍｍの円筒状に形成されている。また、先端（下端）には、厚さ約０．５ｍｍの溶融部１７が一体的に設けられており、当該溶融部１７は、基端から先端（下端）にかけて次第に小径となるテーパ面状になっている（すなわち、鉛直断面において外側の端縁が内向きに傾斜した直線状になっている）。そして、溶融部１７の先端の幅は、約４１．５ｍｍになっており、第一部材ｃの第一環状凹部１２の内径よりも小さくなっている。

それらの部材を溶接する場合には、第一部材ｃの第二環状凹部１３に第二部材ｄの先端の近傍部分（先端から約１０ｍｍ上方までの部分）を挿入して、第一環状凹部１２の上端の周縁部分を、第二部材ｄの下側の溶融部１７に接触させる。そして、その状態で、抵抗溶接機（図示せず）を用いて、第一部材ｃの外面（下面）と、第二部材ｄの外面（上面）に電極を配置させ、第一部材ｃの外面（下面）と第二部材ｄの外面（上面）との間に、所定の圧力（約７０ＫＮ）を加えた状態で所定量の電流（１００ＫＡ）を所定の時間（０．１秒）だけ印可する。

そのように、圧力を加えながら電流を印可することによって、きわめて短時間の内に、発熱したジュール熱によって第二部材ｄの先端際の部分（先端から約２．５ｍｍ上方までの部分、実施例２においては、この部分が嵌入部として機能する）が軟化して第一部材ｃの第一環状凹部１２の内部に嵌まり込むとともに、溶融部１７が溶融して、その溶融物が第一部材ｃの第一環状凹部１２の底面と第二部材ｄの先端際の部分の下面とを融着するとともに、第一部材ｃの第一環状凹部１２の内周面と第二部材ｄの先端際の部分の外周面とを融着し、短時間の電流の印可後に直ちに冷却されて固化する（図３中のβ部分）。

＜実施例２の溶接方法の効果＞
上記実施例２の如き溶接方法によれば、実施例１の溶接方法と同様に、二つの部材（第一部材ｃと第二部材ｄ）を、短時間の内に容易に、かつ、安価に、しかも非常に強固に接合することができる。また、きわめて小さな領域のみを溶融させるだけで良い上、その溶融部分が外から見えないため、第一部材ｃと第二部材ｄとの接合部分の美観を良好なまま保つことができる。さらに、第一部材ｃの第二環状凹部１３の内部に第二部材ｄの先端の近傍部分を嵌め込んだ状態で、第一部材ｃと第二部材ｄとを溶接するものであるので、曲げモーメントに対する接合部分の耐力をきわめて高いものとすることができる。さらに、実施例２の溶接方法によれば、抵抗溶接時に大径な第二部材ｄの先端際の部分（すなわち、嵌入部）を軟化させて小径の第一環状凹部１２内に嵌め込むことができるので、第二部材ｄの先端際の部分と第一環状凹部１２との接合度合いを緊密なものとして、第一部材ｃと第二部材ｄとの界面の接合強度をより高いものとすることが可能となる。また、内部隙間がなくなることで液溜りによる隙間腐食を防止することができる。

また、上記実施例２の如き溶接方法で実際に溶接された接合部材（第一部材ｃおよび第二部材ｄ）の接合強度を引張試験機にて測定したところ、５８ＫＮであり、当該接合部材の接合強度がきわめて高いことが分かった。

＜溶接方法および接合部材の変更例＞
本発明に係る溶接方法の構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、第一部材の挿入穴、環状凹部の形状や、第二部材の嵌入部、溶融部の形状等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。また、本発明に係る接合部材の構成も、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、第一部材、第二部材の形状等の構成を、必要に応じて適宜変更することができる。

たとえば、溶接される二つの部材は、上記実施形態の如く、ステンレス製のものに限定されず、鉄（鋼鉄）あるいは鋳鉄製のものに変更することも可能である。加えて、場合によっては、溶接される二つの部材をチタン製のものとすることも可能である。なお、溶接後の接合強度の観点から、溶接される二つの部材は、同じ金属によって形成されたものであるのが好ましい。

また、第一部材の環状凹部の内部に第二部材の嵌入部を嵌め込んで抵抗溶接をする際に印可する圧力、電流等の条件は、上記各実施例の条件に限定されず、必要に応じて適宜変更することができる。なお、第一部材の環状凹部と第二部材の嵌入部との接触部分（略直線状の部分）の長さが、３０ｍｍ以上１５０ｍｍ未満である場合、１５０ｍｍ以上３００ｍｍ未満である場合には、印可する電流を、それぞれ、１０ＫＡ以上１５０ＫＡ未満、１００ＫＡ以上２５０ＫＡ未満に調整するとともに、電流を印可する時間を、それぞれ、０．０５秒以上０．１５秒未満、０．１５秒以上０．３秒未満に調整すると、溶接部分の接合状態が緊密なものとなるので好ましい。また、印可する圧力を、１０ＫＮ以上７０ＫＮ未満に調整すると、溶接部分の接合状態が緊密なものとなるので好ましく、２０ＫＮ以上６０ＫＮ未満に調整するとより好ましく、３０ＫＮ以上５０ＫＮ未満に調整すると一層溶好ましい。さらに、第一部材の環状凹部の深さ（第二部材の嵌入部の高さ）を、１．０ｍｍ以上３．５ｍｍ未満に調整すると、溶接部分の接合状態が緊密なものとなるので好ましい。

加えて、本発明に係る抵抗溶接においては、第一部材の環状凹部の縁と接合する第二部材の嵌入部の形状は、上記実施形態の如く、鉛直断面が単純な直線状となるように傾斜した（上側から下側にかけて小径となるように傾斜した）テーパ面状に限定されず、図４の如く、外向きに凸な略円弧状（鉛直断面が略円弧状）等でも良い。

本発明に係る溶接方法は、上記の如く優れた効果を奏するものであるので、種々の形状を有する二つの部材の溶接方法として好適に用いることができる。また、本発明に係る接合部材は、上記の如く優れた効果を奏するものであるので、各種の機械等の部品として好適に用いることができる。

ａ・・第一部材
ｂ・・第二部材
１・・挿入穴
２・・環状凹部
３・・嵌入部
５・・溶融部
ｃ・・第一部材
ｄ・・第二部材
１２・・第一環状凹部
１７・・溶融部

Claims (3)

1. 第一部材と第二部材とを溶接するための溶接方法であって、
   第一部材に、円柱状の挿入穴を設ける一方、
   第二部材に、円筒状の嵌入部を設け、かつ、その嵌入部の先端に、基端から先端にかけて次第に小径となるように溶融部を設け、なおかつ、その溶融部の先端を第一部材の挿入穴より小径に形成するとともに、
   第一部材と第二部材との接合部分に所定の圧力を加えた状態で、第一部材の挿入穴の内周縁と第二部材の溶融部との間に電流を流す抵抗溶接により前記溶融部を溶融させることによって、
   第一部材の挿入穴の内部に第二部材の嵌入部を嵌め込んだ状態で、第一部材の挿入穴の内周面と、第二部材の嵌入部の先端部分とを溶接することを特徴とする二つの部材の溶接方法。
2. 第二部材の嵌入部が、第一部材の挿入穴より大径に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
3. 第一部材と第二部材とが溶接されている接合部材であって、
   第一部材が、円柱状の挿入穴を設けたものであり、
   第二部材が、第一部材の挿入穴より大径の嵌入部を設け、かつ、その嵌入部の先端に、基端から先端にかけて次第に小径となるように溶融部を設け、なおかつ、その溶融部の先端を第一部材の挿入穴より小径に形成したものであり、
   第一部材の挿入穴の内周面と、嵌入部の先端部分とが溶接されていることを特徴とする接合部材。

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