JP4778615B2

JP4778615B2 - 溶接可能なアルミニウムスタッド

Info

Publication number: JP4778615B2
Application number: JP2000587094A
Authority: JP
Inventors: クロイスジーシュミット; ミカエルクレンゲル
Original assignee: ニューフレイリミテッドライアビリティカンパニー
Priority date: 1998-12-08
Filing date: 1999-12-07
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2019-12-07
Also published as: EP1151205A4; DE19856613A1; AU2044300A; EP1151205B1; JP2002531276A; WO2000034672A1; EP1008416A1; WO2000034672B1; EP1151205A1

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般には溶接可能な材料、より詳細には表面の少なくとも一部分にチタン含有材料をもつアルミニウムまたはアルミニウム合金スタッド、および同スタッドを製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ウェルドオン（Weld-On）部品は、多くの工業製品の製造分野において使用されている。ウェルドオン部品は、孔をあけずに金属の結合を可能にし、ベース構造と締結すべき構成要素間に連結手段を提供する。たとえば、溶接スタッドは、パイプ導管、押しボタン、プラスチックナットまたはケーブルクリップを締結するのに使用できる。アルミニウムまたはアルミニウム合金で作られたウェルドオン部品（たとえばスタッド）は、同様にアルミニウムまたはアルミニウム合金で作られたベース部品（たとえば板金片）に溶接できることが知られている。
【０００３】
通常の環境の下では、空気中に新しく露出したアルミニウムは直ちに酸化し始める。酸化物は一般に表面全体にわたって層を作り、時間の経過と共に成長してより厚くなる。酸化物層は、硬く、接着性があり、透明で、最大数ナノメートルの厚さを有する。さらに、多くの環境において、酸化物層の厚さが場所ごとに異なることがある。酸化物層は４．５〜８．５のｐＨ範囲ではほとんど溶けないので、部品を腐蝕から保護する。しかし、酸化物層は、ある種の環境において、溶接された部品に施される後続処理工程に悪い影響を及ぼすことがある。
【０００４】
この状況は、アルミニウム板にもアルミニウムスタッドにも同様に当てはまるが、冷間加工後、いろいろな厚さの酸化物層をもつさまざまな区域に新しく露出した区域が点在することがあるために、金属を冷間加工してアルミニウムスタッドを製造する方法においては、状況はさらに悪くなる。この結果、でき上がったスタッドの酸化物層の厚さは不ぞろいで、かつ一定していない。
【０００５】
酸化物から電子を解放するのに必要なエネルギーは裸のアルミニウムから電子を解放するのに必要なエネルギーより小さいので、この状況はスタッドをアルミニウム板に溶接する時に問題を起こす。たとえば、スタッドをアーク溶接する場合、アークは丸い溶接ヘツドの中心点に発生するかもしれないが、一定の初期溶融後、アークが近隣領域たとえば厚い酸化物層をもつ区域へ飛び移る、すなわち「吹き付ける」ことがある。この近隣領域が中心から大きくずれていれば、結果は満足のゆかない溶接になることがある。
【０００６】
したがって、アークのジャンプ(jumping)またはブローイング(blowing)を起こさずに、表面に満足に溶接することができる、比較的むらのない酸化物層をもつアルミニウムスタッドが要望されている。さらに、上記のアルミニウムスタッドを製造する方法も要望されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のことから、本発明の第１の目的は、改善された溶接適性をもつアルミニウムスタッドを提供することである。
【０００８】
本発明の第２の目的は、表面の少なくとも一部分にチタニウム含有材料をもつアルミニウムスタッドを提供することである。
【０００９】
本発明の第３の目的は、改善された溶接適性をもつアルミニウムスタッドを製造する方法を提供することである。
【００１０】
本発明の第４の目的は、表面の少なくとも一部分にチタニウム含有材料をもつアルミニウムスタッドを製造する方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上に述べた短所を克服し、多くの目的を達成するために、本発明は以下の特徴を備えたアルミニウムまたはアルミニウム合金から成る溶接可能な部品を提供する。部品はその表面の少なくとも一部分にチタニウム含有材料を有し、このチタニウム含有材料が溶接処理の時に接触抵抗を低減する。
【００１２】
本発明は、さらに、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶接可能な部品の少なくとも１つの表面の少なくとも一部分にチタニウム含有材料を形成する方法を提供する。本方法は、（１）チタニウム含有材料の溶液を準備するステップと、（２）部品を十分な時間の間溶液に接触させてチタニウム含有材料を部品に塗布するステップを含んでおり、このチタニウム含有材料が溶接処理の時に接触抵抗を低減する。
【００１３】
添付図面、発明の詳細な説明、および請求の範囲を熟読することによって、本発明およびその範囲をより完全に理解することができる。諸図面を通じて、同じ部品は同じ参照番号で示してある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
最初に、ウェルドオン部品を既知のエッチング技術で前処理してアルミニウム酸化物を剥ぎ取り、アルミニウムまたはアルミニウム合金の表面を露出させる。次に、チタニウムイオンの濃縮液を含む酸性溶液（チタニウムイオンを含む無クロム酸性溶液が好ましい）にウェルドオン部品を浸すことによって、ウェルドオン部品の露出したアルミニウムまたはアルミニウム合金部分の上にチタニウム含有材料を形成する。例として、最初に、あるいは塗布工程中の逐次追加によって十分な量のチタニウムイオンを含むと思われる１つの適当な酸性溶液はALODINE（アロダイン） 2040 （商品名）として知られている。ALODINE 2040 （商品名）は Henkel Surface Technologies(米国)から市販されている。使用する酸性溶液は処理すべきアルミニウム表面を腐蝕性不活性(caustic passivation)にしなければならない。
【００１５】
本発明の原理に従って使用する ALODINE 2040 （商品名）溶液を準備するために、１０〜３０リットル（１５〜２０リットルが好ましい）の市販の溶液に十分な量の脱イオン水を混合して１０００リットルの浴を作る。上述の比率で、得られた浴は１．２５のｐＨ値をもたなければならない。
【００１６】
上に指摘したように、ウェルドオン部品はアルミニウムまたはアルミニウム合金で作られた、図１および図２に示すような溶接スタッドが好ましい。溶接スタッド１は軸部２とその軸部２の一端から伸びた頭部３を有する。頭部３は溶接面４を形成する円錐形テーパー部分をもつことが好ましい。
【００１７】
ウェルドオン部品にチタニウム含有材料を設けるために、ウェルドオン部品を約４５℃の温度のチタニウムイオンを含む酸性溶液に浸漬するか、または他の方法で前記溶液を塗布する。処理時間は、特に部品を浸漬する場合は、一般に３０〜９０秒である。溶液は約６．１〜１８．３の遊離酸カウントを有していなければならない。したがって、この分野の専門家は理解されるであろうが、酸性溶液は、溶解したアルミニウムの測定によるばかりでなく、遊離酸カウントを決定することによって制御される。遊離酸カウントが１．０減少するごとに、浴に追加溶液を加えなければならない。
【００１８】
少なくとも溶接スタッドの溶接面にチタニウム含有材料を設けると、ウェルドオン部品、ピン、および支持構造すなわち母材間の接触抵抗が低減する。溶接面の領域にそのような層を設けることは、溶接処理に好ましい影響を与える。詳しく述べると、品質的に高いグレードの溶接接合が得られ、ピンを溶接するのに必要なエネルギーを減らすことができる。
【００１９】
さらに、ウェルドオン部品にアルミニウム酸化物が形成されるのを防止するため、チタニウム含有材料は十分な厚さにすることが好ましい。前に指摘したように、厚さは数ナノメートルのオーダーにすべきである。
【００２０】
本発明の作用の独自の理論に拘束されずに、ALODINE 2040 （商品名）はウェルドオン部品の表面にかなり薄い一様な厚さのチタニウムアルミニウム酸化物結晶の層を形成させると信じられる。チタニウムアルミニウム酸化物層は時間と共に成長する（一般的に望ましくない）が、その成長速度は非不活性アルミニウムの場合よりも非常に遅いし、またチタニウムアルミニウム酸化物層の厚さも比較的むらがない。
【００２１】
溶接スタッド１は、一般にアーク溶接によって構造物または母材（図示せず）たとえば要求された厚さの板金に接合される。たとえば、溶接スタッドは平均０．８ｍｍ程度の薄い板金に融着することができる。板金は同様にアルミニウムまたはアルミニウム合金でできていることが好ましい。例として、板金構造物は自動車の車体パネルであってもよい。
【００２２】
図２に、軸部２を持つ溶接スタッド１の第２の実施例を示す。しかし、この実施例においては、軸部２にクリスマスツリー形ねじ６が形成されている。軸部２の自由端に溶接頭部３が形成されている。溶接頭部３は、アーク溶接時に母材（図示せず）、たとえば板金のアルミニウムまたはアルミニウム合金片に当接する溶接面４を有する。溶接面４にチタニウム含有材料層５が設けられている。
【００２３】
以上の説明は発明の原理を例示しただけであると考えられる。また、この分野の専門家は多くの修正物や変更物を容易に思い付くであろうから、ここに説明した構造と方法だけに発明を限定することは望ましくない。したがって、そのようなすべての修正物や均等物は、請求の範囲によって定義される発明の範囲に含まれるとみなすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶接スタッドの部分断面図である。
【図２】ねじ付き溶接スタッドの正面図である。
【符号の説明】
１溶接スタッド
２軸部
３頭部
４溶接面
５チタニウム含有材料層
６クリスマスツリー形ねじ

Claims

アーク溶接処理によって母材に取り付けられる、アルミニウムまたはアルミニウム合金から成る溶接スタッドであって、
該溶接スタッドは、軸部と該軸部の一端から延びる頭部とから成り、且つ、アーク溶接のときに前記母材に接触するように形成された溶接面を有し、
前記溶接面は、溶接処理時に当該溶接スタッドと前記母材の間の接触抵抗を低減することが可能なチタニウム含有材料の層を有する、
ことを特徴とする溶接スタッド。
前記チタニウム含有材料はチタニウムイオンを含む酸性溶液に溶接スタッドを接触させることによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の溶接スタッド。
前記酸性溶液は、前記溶接面を腐食性不活性にする溶液であることを特徴とする請求項２に記載の溶接スタッド。
前記酸性溶液は無クロムであることを特徴とする請求項３に記載の溶接スタッド。
前記酸性溶液はALODINE（アロダイン）2040（商品名）を含むことを特徴とする請求項１に記載の溶接スタッド。
前記溶接面にチタニウムアルミニウム酸化物層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の溶接スタッド。
前記溶接スタッドは０．８ｍｍの平均厚さの母材に取り付けられることを特徴とする請求項６に記載の溶接スタッド。
溶接面に沿って分散したチタニウムを有する溶接可能なアルミニウム溶接スタッドを製造する方法であって、
既知のエッチング技術で前記溶接スタッドのアルミニウム酸化物を剥ぎ取るように前処理してアルミニウム又はアルミニウム合金の溶接面を露出させ、
チタニウムイオンを含む酸性溶液を準備するステップと、
前記アルミニウム溶接スタッドを酸性溶液に十分な時間の間接触させて前記溶接面に沿ってチタニウムを塗布し、後に続くアーク溶接工程時において前記溶接スタッドの接触抵抗を低減させる、溶接スタッドを酸性溶液に接触させるステップとから成り、
前記溶接スタッドを酸性溶液に接触させるステップは、
前記溶接スタッドを、前記酸性溶液の、４５℃の浴に浸漬すること、及び、
前記酸性溶液中の遊離酸のカウントを、６．１〜１８．３に維持すること、
から成ることを特徴とする方法。
前記酸性溶液は、前記溶接スタッドの表面を腐食性不活性にする溶液であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
前記酸性溶液は無クロムであることを特徴とする請求項８に記載の方法。
前記酸性溶液はALODINE（アロダイン）2040（商品名）を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
前記溶接面にチタニウムアルミニウム酸化物層が設けられることを特徴とする請求項８に記載の方法。
前記溶接スタッドは０．８ｍｍの平均厚さの母材に取り付けられることを特徴とする請求項８に記載の方法。
前記溶接スタッドを酸性溶液に接触させるステップは、更に、前記遊離酸のカウントが１．０減少するごとに、前記酸性溶液を前記浴に追加することを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。