JP4820469B2

JP4820469B2 - 溶接方法

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Publication number: JP4820469B2
Application number: JP2006021047A
Authority: JP
Inventors: パウエルパトリック
Original assignee: デンソーインターナショナルアメリカインコーポレーテッド
Priority date: 2005-02-11
Filing date: 2006-01-30
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2026-01-30
Also published as: JP2006218861A; US7378624B2; US20060191909A1

Description

本発明は、溶接方法、より具体的には、プラスティック製の中空容器の内周面にプラスティック製の製品（部品）を溶接（溶着）する方法に関する。

従来、金属製の自動車用燃料タンクは、いくつかの機能を果たすために、その内周面に取付けられた複数の構成部品を有している。例えば、燃料ポンプモジュールは、燃料タンクから燃料を汲み上げ、またガス逃がし弁は、燃料タンクからガス状の蒸気を外部に放出している。

このような従来技術において、これら従来の金属製の構成部品は、燃料タンクの壁部分を貫通するボルトやネジ等の周知の取付け手段によって、燃料タンクの内周面に取付けられているが、これらの構成部品自身においても取付け用の穴を必要としていた。燃料タンクの壁部分にこれらの構成部品を取付ける従来の方法は、その目的を果たしてはいるものの、いくつかの制約を余儀なくされていた。

例えば、構成部品を燃料タンクの内周面に取付けるための取付け手段を使用することは、ボルト、ネジあるいはその他の取付け手段を必要とすることになり、部品点数全体の数を増加させ、かつ燃料タンクの組付け工数を増加してしまう。更に、インタンク式の燃料タンクの構成部品を取付けるために従来の取付け手段を使用することは、構成部品を燃料タンクの壁部に固定するために取付け手段が貫通すべき複数の穴を燃料タンクに設けることにつながる。取付け手段が燃料タンクの壁部を貫通するが故に、燃料を燃料タンク内に保持するために、取付け手段の周りには何らかの付加的な装置、例えばシール装置、が通常必要となる。

従来の取付け手段により構成部品を固定する方法の他の問題は、従来の取付け手段による構成部品の取付けは恒久的なものではなく、騒音、振動およびその他の問題の要因となり得ることである。更には、従来の取付け手段により構成部品を燃料タンク内に取付けることは、複数の取付け工程が必要となり、構成部品を取付けるための時間が増加するという欠点も有している。

従って、このような問題のない構成部品の取付け方法が求められている。本発明は、従来の取付け手段を使用せず、従来の取付け方法よりは少ない部品点数で、付加的なシール装置を必要とせず、そして恒久的な取付け固定を可能とする取付け方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、第１のプラスティック部品と第２のプラスティック部品とを溶接する方法であって、第１のプラスティック部品は、プラスティック材料に金属材料を含有させた溶融部を有し、第１のプラスティック部品の溶融部を第２のプラスティック部品の一方の面に当接させた状態で、第２のプラスティック部品の他方の面側に配置された誘導コイルを励磁することによって、溶融部を発熱させて溶融して、第１のプラスティック部品と第２のプラスティック部品とを溶接することを特徴とする。このように、本発明によれば、誘導コイルの励磁によって、金属材料が含有された溶融部を発熱させることによって、第１のプラスティック部品と第２のプラスティック部品とを溶接する。従って、付加的な別体の取付け手段が不要となり、その結果、付加的なシール装置も不要となる。更に、恒久的な結合状態を提供することができる。

本発明による溶接方法は、中空プラスティック容器の壁にプラスティック構成部品を溶着するのに好適である。この場合、金属板をプラスティック構成部品に取付け、このプラスティック構成部品の溶融部を誘導溶着可能な材料で構成することになる。そして、プラスティック構成部品は、中空プラスティック容器の壁に設けられた開口部から挿入される。この挿入は、容器の外部から内部に向かって行われる。挿入されたプラスティック構成部品は、中空プラスティック容器の内側の壁に当接され、電磁石が、中空プラスティック容器の内部で壁に当接されているプラスティック構成部品と反対側に位置するように配置される。

電磁石を励磁するとプラスティック構成部品の金属板が容器の壁に向かって引寄せられる。誘導コイルは電磁石を取囲むように、電磁石に対して誘導コイルが位置決めされる。誘導コイルが励磁されると、誘導溶着可能なプラスティック材料からなる溶融部が容器の壁に溶接される。溶融部は、誘導コイルの励磁に伴って発熱する、例えば金属粒子や金属繊維等の、抵抗材料を有している。電磁石の励磁は、プラスティック構成部品と中空プラスティック容器が室温になるまで、あるいは溶接（溶着）温度よりも低くかつ構成部品を容器の壁に吸引する力を維持することにより確実な溶接を確保する温度になるまで、継続される。

本発明のさらなる適用範囲は、以下に与えられる詳細な説明から明らかとなる。ただし、その詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示すものではあるが、説明のみを目的とすることが意図され、本発明の範囲を制限することは何ら意図されないことが理解されるべきである。

好ましい実施形態の以下の説明は、実際のところ、単なる典型例にすぎず、本発明、その適用や使用を制限することを何ら意図するものではない。図１乃至図８に基づき、本発明の実施形態による、誘導加熱により中空容器内に製品（構成部品）を溶接（溶着）する方法について説明する。

本実施形態における溶接方法は、主にプラスティック部品を相互に溶接するものである。例えば、第１のプラスティック部品を第２のプラスティック部品に溶接するものである。通常、これら2つのプラスティック部品のタイプあるいは種類は、部品相互の良好な接合を促進するために、同一の材料から構成されている。しかし、プラスティックのタイプあるいは種類は、必ずしも同じである必要はなく、適切な溶接を提供するために、相性のよい材料であればよい。2つのプラスティックの相性は、接合材料、即ち、部品を接合するために使用される誘導溶接のためのプラスティック材料に依存する。誘導溶接のためのプラスティック材料が、二つの主要なプラスティック部品のそれぞれに接合され得るものであれば、二つのプラスティック部品は、そのような誘導溶接のプラスティック材料により相互に接合されることになる。

図１は、自動車等の車両１０に装着された燃料タンク２０の位置を示す図である。燃料タンク２０は、燃料配管２２を介して車両エンジン２４に燃料を供給する。図２および図３（ａ）は、燃料タンク２０内のガス放出バルブ３０の拡大図である。ガス放出バルブ３０は、燃料タンク２０の上部壁３６の内側下面３４からぶら下がるようにして取付けられている。ガス放出バルブ３０が、図１乃至図８に示されているが、本実施形態によれば、車両用燃料タンク内にあるどの部品でも、溶接される部品として使用することができる。また、溶接される部品は、必ずしも燃料タンク内において溶接される必要はなく、また少なくとも溶接される部分がプラスティック材料から構成されておればよい。

中空容器の内壁面に溶接される部品である、ガス放出バルブ３０について説明する。ガス放出バルブ３０は、ガス放出バルブ３０の上端部にモールド成形あるいは固定された取付け部材（板状部材）３８を有している。取付け部材３８は、その上端面に分散して配置された複数の脚部４２を有している。脚部４２は、取付け部材３８の上端面にのみ締付けあるいは固定されてもよいが、図示されている例では、脚部４２は取付け部材３８に埋め込まれている。即ち、図３（ａ）において、脚部４２は取付け部材３８を貫通し、ほぼ同じ高さだけ、取付け部材３８から突出するように取付け部材３８に固定されている。図４に取付け部材３８にほぼ等間隔に離間して配置された４つの脚部４２が示されているが、燃料タンク２０の上部壁３６の内側下面３４に溶接される部品に応じて、適当な数の脚部４２を使用することが可能である。図３（ａ）に示される取付け部材３８は、プラスティック材料から構成されている。

本実施形態の溶接方法は、プラスティック部品を溶接する方法、即ちこの実施例ではプラスティック製の燃料タンク２０にプラスティック製の取付け部材３８を溶接する方法である。しかし、実際の製品（この実施例においてはガス放出バルブ３０）は、その全体がプラスティック製である必要はなく、金属製でもプラスティック製でも、あるいはそれらの組合せであってもよい。また、図３（ｂ）において拡大図示されている脚部４２は、金属粒子又は金属繊維などの金属材４３を含有する誘導溶接可能な材料から構成されている。即ち、金属材４３がプラスティック製脚部４２に含有されている。本実施形態の誘導溶接プロセスは、取付け部材３８と燃料タンク２０の上部壁３４との間の溶接領域およびその近傍に正確に熱を加えるために、誘導エネルギーとプラスティック製脚部４２に含有された金属材４３を利用している。この溶接プロセスは、溶接される燃料タンク２０、取付け部材３８及び脚部４２の熱可塑性材料間で、優れた溶接を提供する。

図３（ａ）は、燃料タンク２０の内部に溶接される図２に示すガス放出バルブ３０の拡大図であり、図４は、燃料タンク２０の内部に溶接されるガス放出バルブ３０における、誘導溶接プラスティック材料（脚部）４２の配置例を示す平面図である。なお、図４において、４０は、ガス放出バルブ３０の取付け部材３８（取付けフランジとも言う）にモールド成形あるいは固定された金属板である。

図７に示されるように、電磁石５０等の磁石手段が燃料タンク上部壁３６の金属板４０とは反対側に位置するとき、取付け部材（取付けフランジ）３８等のプラスティック部品が、燃料タンク上部壁３６に引寄せられるために必要となる吸引部が、この金属板４０により構成される。電磁石５０が取付けフランジ３８の上方に位置したとき、溶接プロセスにおいて適切な溶接を確保すべく均等に吸引力を配分するために、金属板４０に吸引力を均等に与えることができるように、金属板４０が取付けフランジ３８に対して位置決めされている。この場合、金属板４０は、例えば取付けフランジ３８と、中心軸が同軸となるように位置決めされる。

以下、燃料タンク２０の内壁面へのガス放出バルブ３０の溶接方法について説明する。ガス放出バルブ３０は、燃料タンク２０の内壁面３４に溶接される製品の代表的な一例として説明されるものであって、類似のあるいはその他の製品を燃料タンク２０の内壁面に溶接することも可能である。

図５は、製品（バルブ３０）が実際に溶接される前の段階で、燃料タンク２０内における初期位置を示す側面図である。図５に示される位置に位置決めされる前に、この実施例では、製品３０は、燃料タンク２０の上部壁３６に形成された開口部３９（図２）から挿入される。この製品３０は、作業者により、または近代的な溶接工程で通常行われているように、ロボット（図示しない）等の機械的な手段により、挿入される。図２において、この開口部３９は上部壁３６に設けられているが、燃料タンク２０の場合には開口部３９が密閉されることを前提に、当該開口部３９は壁部のどこに設けてもよい。更に、燃料タンク２０は特定の形状を有しているが、製品３０が溶接される面として、どのような形状のタンクでもあるいはタンク構造を有しない平らな面でもよい。また、上部壁３６の内側下面３４に溶接された製品３０を有する燃料タンク２０として図示されているが、当該製品３０は、上部壁３６の外側上面３２あるいはその他の外側壁面に溶接してもよい。

製品３０は、図５に示されるように、作業者の手あるいは機械により、燃料タンク２０の上部壁３６の近傍に位置決めされ、その位置に保持される。そして、図６に示されるように、溶接される製品３０の反対側の上部壁３６の面において、その製品３０に対向する位置に電磁石５０が配置される。続いて、電磁石５０が電気的に励磁（通電）され、製品３０の金属板（磁気性金属板）４０が電磁石５０に引寄せられる。製品３０は、その内部あるいは上部壁に設けられた金属板４０を有しているため、この製品３０は電磁石５０に引寄せられるのである。金属板４０は、金属またはプラスティックからなる取付けフランジ３８に、一体成形あるいはその上面に固定されている。従って、製品３０は、電磁石５０が励磁されると、矢印で示される方向である、上部壁に向かう方向に吸引される。

図７は、電磁石５０の周りに、環状あるいはリング形状の誘導コイル５６を配設する状態を示している。この状態では、製品３０を矢印５２で示す力により、上部壁３６に対して保持するために、電磁石５０はまだ励磁されている。次に、溶接プロセスを開始するために、誘導コイル５６が励磁される。電磁石５０が励磁される前に、誘導コイル５６が電磁石５０の周りに配設される。側面図としての図７に示されるように、誘導コイル５６は、溶接材料４４に均一且つ一定の誘導力を与えるために、電磁石５０を取囲んでいる。

図３（ｂ）に示すように、磁性金属材４３を含有する脚部４２は、製品３０の上部壁３６への溶接のために機能する。脚部４２は、ポリエチレン等の誘導溶接可能な材料から構成されている。溶接プロセスは、（磁性金属材４３の）抵抗の存在により行われる。即ち、脚部４２内の金属材４３が抵抗となり、誘導コイル５２が励磁されると、発熱する。熱は、誘導コイル５２及び磁性金属材４３を取囲む渦電流により発生し、その熱は磁性金属材４３を発熱させる。異なる種類の金属は、誘導される電流に対して、それぞれ異なる方法で反応する。カーボン、鋼鉄、タングステン、および錫は、相対的に、高い電流抵抗値を有している。即ち、電流の流れに対して強く抵抗する。従って、これらの金属は、アルミニューム、真鍮および銅等の低抵抗金属よりも、より速く加熱される。脚部４２内の抵抗材料の選択は、溶接される構成部品および必要とされる溶接の種類に応じて行われる。磁性材料は、非磁性材料と比較して、より容易に、即ちより速く加熱することができる。これは、ヒステリシス発熱の効果である。磁性材料は、当然、誘導コイル５６の内部およびその周囲における急激な磁界変化に抵抗する。その結果生ずる摩擦は、渦電流による発熱に加えて、付加的な発熱（ヒステリシス発熱）を発生する。高い抵抗値を示す金属は、高い透磁性を有すると言われている。

図７は、溶接プロセスにおいて、その溶接位置にある誘導コイル５６および電磁石５０を示している。誘導コイル５６による誘導加熱の完了時点においても、電磁石５０はその位置に保持され、かつ電磁石５０が金属板４０と共に作用する吸引力を継続するために、電磁石５０は励磁されている。矢印５２で示される継続的な吸引力は、冷却工程においても保持されて、取付け部材３８、上部壁３６および溶接材料４４が一体化して完全な結合が形成されることを保証している。この場合、複数の脚部４２が取付け板３８からほぼ同じ高さだけ突出し、かつほぼ等間隔となるように取付け板３８に設けられていたため、各脚部４２の溶融量に相当するほぼ同量の溶接材料４４が形成されるとともに、溶接材料４４の形成位置もほぼ等間隔になる。これにより、一定かつ良好な溶接を行うことができる。

前述した溶接方法においては、吸引力を発生するために、金属板４０を使用しているが、誘導溶接可能なプラスティック材料の中に、そこに含有される磁性材料が吸引力を発生させるに充分な量含まれている場合は、金属板４０を廃止して当該プラスティック材料に置き換えることも可能である。この場合、誘導溶接可能なプラスティック材料は、矩形あるいはそれに類似の形状の脚部として形成されていてもよい。あるいは、そのプラスティック材料は、コーティングのように、溶接される表面全体に広がって設けられていてもよい。更に、誘導溶接可能なプラスティック材料は、溶接される構成部品の部品自体を形成していてもよい。この場合、金属粒子や金属繊維などの金属材は、結合される構成部品の表面および実際の溶接時に溶融する構成部品の表面に、埋め込まれていればよい。

図８は、燃料タンク２０の内部に取付けられた溶接位置にある製品３０の側面図であり、この状態では誘導コイル５６および電磁石５０は取り除かれている。この時点で、溶接は完了しており、取付け部材（取付けフランジ）３８、上部壁３６および溶接材料（溶融された脚部）４４が結合されている。なお、溶接プロセス中およびその後は、取付け部材（取付けフランジ）３８および上部壁３６が同じ材料から構成され、脚部４４、取付けフランジ３８および上部壁３６は全て同じ（または、ほぼ同じ）程度に溶融して、個々の外表面が相互に区別できないほどになるので、溶融された脚部４４は取付け部材（取付けフランジ）３８および上部壁３６と区別できなくなるが、図７および図８においては、溶融された脚部４４を、黒塗りの部分で示している。

本実施形態の溶接方法の有利な点は、均一かつ一定に形成される溶接となることである。即ち、この溶接は、溶接される構成部品間で一定の溶融結合を提供する。更に、この溶接方法は、困難な、即ち燃料タンクの内部およびその他の容器の内部のように溶接場所に届きにくい状況においても、溶接を可能にすることである。また、この溶接方法は、燃料タンク２０、取付けフランジ３８、および溶接材料４２等の全てのプラスティックに適用できる。また、取付け用の穴を必要とし、ボルトやその他の取付け手段が使用される取付け部に、前述の溶接方法を適用することにより、タンク壁部３６に穴あけ加工をすること不要にし、あるいは付加的な別体の取付け手段を不要とする。更に、結合される材料は同一材料で、溶融して一つのプラスティック部品を形成することになるので、部品の結合は恒久的なものとなる。誘導加熱による溶接方法は、炭化水素の混入を小さくする効果もある。

以上の実施形態の説明は一例としての説明であり、本発明の主旨から逸脱しない種々の変形例は、本願発明の範囲に含まれるものである。そのような変形例は、本願発明の主旨と異なるものとみなされない。

自動車に搭載される燃料タンクの位置を示す自動車の側面図である。燃料タンクの内側の壁に溶接される製品（ガス放出バルブ３０）の位置を示す自動車用燃料タンクの側面図である。（ａ）は燃料タンクの内側の壁に溶接される直前の状態を示す図２の製品の拡大側面図であり、（ｂ）は、電磁材料を含有する誘導溶着プラスティック材料の拡大図である。誘導溶着可能なプラスティック材料の配置位置の例を示し、燃料タンクの内部に溶着される前の製品の平面図である。燃料タンク内の予備溶着位置における製品を示す側面図である。燃料タンクの壁に溶着される前に、燃料タンクの内側の壁に電磁的に引寄せられた製品を示す側面図である。燃料タンクの外側で溶着対象物（製品）に対応する位置に位置決めされた誘導コイルにより、電磁的に引寄せられた位置にある製品を示す側面図である。燃料タンク内で溶着された位置にある溶着対象物（製品）を示す側面図である。

符号の説明

２０燃料タンク
３０ガス放出バルブ
３８取付け部材
４０金属板
４２脚部

Claims

溶融可能な材料を含むとともに、金属部材を有する構成部品を中空容器である燃料タンクの中に位置決めし、
前記構成部品を磁石に引き寄せるために、前記構成部品の近傍であって前記燃料タンクの外部に当該磁石を位置させ、
前記構成部品の近傍であって前記燃料タンクの外部に誘導コイルを位置させ、そして、誘導コイルの励磁により前記溶融可能な材料を前記燃料タンクに溶融させるために、前記誘導コイルを励磁するものであって、
前記構成部品は、前記燃料タンクに溶融される取付け部材と、当該取付け部材において等間隔に離間して配置され、かつ取付け部材から同じ高さだけ突出した、同じ外形形状を有する複数の脚部とを有し、前記脚部が、金属材を含有するプラスティック材料からなることを特徴とする溶接方法。
前記構成部品は、前記燃料タンクの内壁に対して位置決めされることを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
前記金属部材は、前記構成部品の中心軸と同軸上に中心軸を有するように、前記構成部品に設けられることを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
前記脚部は、前記金属部材を中心として、その周りに配置されることを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
前記磁石は、電磁石であることを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
前記構成部品の取付け部材は、プラスティック材料から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。
前記燃料タンクは、プラスティック材料から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。
前記構成部品を前記燃料タンクの中に位置決めする際、当該構成部品を前記燃料タンクの壁に位置決めすることを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
誘導溶接可能なプラスティック材料を使用して、中空プラスティック容器である燃料タンクの壁部に、プラスティック構成部品を溶接する方法であって、
前記プラスティック構成部品に金属板を取付ける工程、
前記プラスティック構成部品に溶接可能なプラスティック材料を設ける工程、
前記燃料タンクの壁部に形成された開口部を通して、前記燃料タンクの外部からその内部に、前記プラスティック構成部品を挿入する工程、
前記燃料タンクの内壁に対して、前記プラスティック構成部品を位置決めする工程、
前記燃料タンクの内部に位置決めされた前記プラスティック構成部品と反対側に位置するように、電磁石を前記燃料タンクの外側に位置決めする工程、
誘導コイルが前記電磁石を取囲むように、当該電磁石に対して誘導コイルを位置決めする工程、
前記プラスティック構成部品の金属板を、前記燃料タンクの壁部に向けて吸引するように、前記電磁石を励磁する工程、および
前記誘導溶接可能なプラスティック材料を溶融させて前記プラスティック構成部品と前記中空プラスティック容器の壁部とを溶接するように、前記誘導コイルを励磁する工程とを備え、
前記プラスティック構成部品における溶接可能なプラスティック材料として、前記燃料タンクに溶融される取付け部材と、当該取付け部材において等間隔に離間して配置され、かつ取付け部材から同じ高さだけ突出した、同じ外形形状を有する複数の脚部とを有し、前記脚部が、金属材を含有するプラスティック材料からなることを特徴とする溶接方法。
前記電磁石の励磁を、前記プラスティック構成部品と前記燃料タンクが室温になるまで、継続することを特徴とする請求項９に記載の溶接方法。
前記脚部は、前記取付け部材に別部材として取付けられていることを特徴とする請求項９に記載の溶接方法。
前記脚部が含有する金属材は、金属粒子もしくは金属繊維であることを特徴とする請求項９乃至請求項１１のいずれかに記載の溶接方法。
前記金属板は、前記プラスティック構成部品の中心軸と同軸上に中心軸を有するように、前記プラスティック構成部品に設けられることを特徴とする請求項９に記載の溶接方法。
前記複数の脚部は、前記金属板を中心として、その周りに配置されることを特徴とする請求項９に記載の溶接方法。