JP5015443B2 - 金属工作物の穴を修理する方法 - Google Patents

Description

本発明は、修理手順に関し、特に、金属工作物の穴を溶接により修理することに関する。

金属物品の製造中又は使用中に、物品に穴が開くという望ましくない事態が起こることがある。そのような望ましくない穴が最も頻繁に形成されるのは、金属材料から成る相対的に薄いシートである。例えば、製造中、意図せずに、シート構造に穴が開いてしまうことや、接合工程により穴が形成されることが考えられる。使用中には、シートが燃える、又は石などが当たるなど環境が原因となって、穴が開くことがある。また、弾丸又は他の発射体のような故意に発射された原因物が貫通することによっても、穴ができることがある。既存の穴も、磨耗、腐食又は使用中の他の条件によって、更に大きくなるか、又は他の損傷を受ける可能性がある。

多くの場合、穴と関連する損傷の程度は、さほど大きくはなく、穴は、修理可能である。一般的な修理方法の１つにおいては、溶接などの手段により、穴を覆うように付着された材料のシートで、穴の上に継ぎを当てる。この継ぎ当てによって、シートは分厚くなり、シートの空気力学的特性が変化する。更に、穴の付近の場所の強度が低下し、その結果、応力集中が起こり、早期故障の傾向が増す。

別の方法では、例えば、アルミニウム合金に開いた穴のガスタングステンアーク溶接などにより、穴は溶接遮蔽される。溶接修理は、特に、薄いシートの場合に、物品の形状及び寸法を著しくひずませる恐れがある。ひずみを減少するために、様々な種類の支持固定具やチルブロックが使用されるが、そのような器具類の使用により、修理費用は大幅に高くなる。更に、薄い工作物における溶接物の品質は高いとは言いがたいため、溶接後の構造の強度は損なわれる。多くの材料は、凝固する際に収縮し、溶接物の内部に多孔構造を残す。溶接物中の気泡も、多孔構造を形成する。この多孔構造は、溶接物の機械的特性を低下させ、結果的に溶接構造の機械的特性を低下させる。加えて、従来の溶接物の品質は、溶接担当者の技術レベル又は自動溶接機のセットアップによって大きく左右され、そのため、溶接ごとの品質にばらつきが生じるということも、この方法の重大な欠点である。

金属性物品、特に薄いシート状の物品における穴の修理のための改善された方法が必要とされる。本発明は、この必要を満たし、更に、関連する利点を提供する。

本発明は、ツーリングプレートを使用する方法の利点を実現し、更に、多孔構造を受け入れ且つ累積するために、追加充填金属の供給源並びに最終溶接物の外側の余剰ボリュームを提供することにより、溶接品質を改善するような工作物中の穴を修理する方法を提供する。この余剰ボリュームは、溶接物の凝固後に除去される。

工作物構造を修理する方法は、まず、第１の封じ込めシートと、第１の封じ込めシートの融点より低い融点を有する第１のドナーシートと、穴を有する工作物構造とを、記載した順序で具備するスタックを作成することを含む。工作物構造は、平坦であってもよいし、平坦でなくてもよく、また、穴は貫通孔であってもよいし、盲穴又はピットのように、貫通しない孔であってもよい。工作物構造は、第１の封じ込めシートの融点より低い融点を有し、穴は、第１の封じ込めシート及び第１のドナーシートにより覆われる。スタックは、穴の中に挿入されるプラグ材料から成るプラグを更に含む。プラグ材料は、第１の封じ込めシートの融点より低い融点を有する。スタックは、電流源を使用して、穴の場所で、第１のドナーシート及びプラグ材料、更に好ましくは穴に隣接する工作物構造の部分を局所的に溶融するのに十分な温度であるが、第１の封じ込めシートを溶融するほどには高くない温度まで局所的に加熱される。電流源は、スタックの両面に押し当てられる１対の電極であるのが好ましく、多くの場合、それぞれの電極と封じ込めシートとの間に、裏当て板が配置される。その後、全ての溶融材料を凝固させ、溶接物を形成するために、スタックは冷却される。通常、溶接物から、余分な材料が除去される。

作業可能などのような材料が使用されてもよい。第１のドナーシート、プラグ及び工作物構造は、金属製であり、同一の金属又は同一の合金であるのが好ましい。本実施形態の場合、第１のドナーシート、プラグ及び工作物構造は、アルミニウム系合金、好ましくは同一のアルミニウム系合金である。

最終的に形成される溶接物が、工作物構造に対して、厚さを貫通する方向に対称形になるように、スタックは、工作物構造の他方の側に対称に配置された別のドナーシート及び封じ込めシートを更に含んでもよい。この場合、スタックは、第１の封じ込めシートと、第１の封じ込めシートの融点より低い融点を有する第１のドナーシートと、穴を有し、第１の封じ込めシートの融点より低い融点を有する工作物構造と、穴の内部に挿入されるプラグ材料から成るプラグと、第１の封じ込めシートの融点より低い融点を有する第２のドナーシートと、第１のドナーシート、工作物構造及び第２のドナーシートの融点より高い融点を有する第２の封じ込めシートとを、記載した順序で具備する。第１の封じ込めシート、第１のドナーシート、第２のドナーシート及び第２の封じ込めシートは、それぞれ、穴を覆う。局所的に加熱する工程において、スタックは、穴の場所で、第１のドナーシート、プラグ及び第２のドナーシートを溶融するのに十分な温度であるが、第１の封じ込めシート及び第２の封じ込めシートを溶融するほどには高くない温度まで局所的に加熱される。

従って、好ましい方法においては、工作物構造を修理する方法は、第１の封じ込めシートと、第１のドナーシートと、穴を有する工作物構造と、穴の内部に挿入されるプラグ材料から成るプラグと、第２のドナーシートと、第２の封じ込めシートとを、記載した順序で具備するスタックを作成することを含む。第１の封じ込めシート、第１のドナーシート、第２のドナーシート及び第２の封じ込めシートは、それぞれ、穴を覆う。第１の封じ込めシート及び第２の封じ込めシートは、それぞれ、第１のドナーシート、プラグ及び第２のドナーシートより高い温度で溶融する。その後、スタックは、電流源を使用して、穴の場所で、第１のドナーシート、プラグ、第２のドナーシート、及び穴に隣接する工作物構造の部分（工作物構造全体ではない）を局所的に溶融するのに十分な高さの温度まで加熱される。次に、全ての溶融材料を凝固させ、溶接物を形成するために、スタックは冷却される。この実施形態と組み合わせて、本明細書中で説明される他の矛盾しない特徴が使用されてもよい。

本発明の方法は、工作物構造の穴を修理するための好都合で、十分に制御された技術を提供する。溶接工程の間及びその後、封じ込めシートが、工作物構造を平坦に、又は他の所定の形状に保持するため、工作物構造のひずみは防止される。更に、封じ込めシートは、電気抵抗を有し、電流の流れに対する封じ込めシートの抵抗による溶接に利用可能な熱が増加する。従って、ガスタングステンアーク溶接などの従来の技術により可能であった溶接修理より、多くの量の溶接修理を工作物構造に対して実行できる。充填金属は、ドナーシートにより供給される。ドナーシートは、当初、溶接物が穴よりわずかに大きく形成され、従って、除去されるべき余分な溶接物材料が存在することを保証するように配置される。多くの場合、多孔構造などの欠陥は、余分な溶接物材料によって除去される。更に、溶接物が穴より大きく形成されることにより、余分な溶接物材料が除去された後、溶接物全体に所望の微細構造が確実に行き渡るようになり、その結果、工作物構造の母材と比較して、溶接物の相対的強度は高くなる。本発明の方法は、一貫性に優れ、溶接担当者の技術レベルによって左右されることがない。

本発明の他の特徴及び利点は、本発明の原理を例示する添付の図面と関連させた、以下の好ましい実施形態の更に詳細な説明から明らかになるであろう。しかし、本発明の範囲は、この好ましい実施形態に限定されない。

図１は、工作物構造４０を溶接する方法を示す。図２〜図４及び図５〜図７は、本発明の方法のいくつかの実施形態と関連する構造を示す。図１及び図２を参照して説明すると、方法は、まず、スタック４２を作成する工程２０を含む。スタック４２は、第１の封じ込めシート４４と、第１のドナーシート４６と、穴５２を有する工作物構造４０とを、記載した順序で具備する。第１のドナーシート４６は、第１の封じ込めシート４４と工作物構造４０との間に位置する。第１の封じ込めシート４４及び第１のドナーシート４６は、工作物構造４０の同じ側にある。更に、工作物構造４０の、第１の封じ込めシート４４とは反対の側に、第２の封じ込めシート４７がある。従って、工作物構造４０は、第２の封じ込めシート４７と第１のドナーシート４６との間に位置する。これは、ドナーシートが１つしかない、すなわち、第１のドナーシート４６のみを使用する「片面」構成である。

図２〜図４及び図５〜図７の実施形態において、工作物構造４０は、穴５２を有する１枚の工作物シート５０である。図中符号５４は、穴５２の周辺部分を示す。当初、穴５２を塞いでいるプラグ６６は、スタック４２の一部である。

図５〜図７の実施形態は、「両面」構成である。この場合、要素４０、４４、４６及び４７に加えて、工作物構造４０と第２の封じ込めシート４７との間に、第２のドナーシート６４が存在する。「片面」構成を使用した場合と「両面」構成を使用した場合の結果に、どのような相違が生じるかについては、後に説明する。

いずれの場合にも、封じ込めシート４４及び４７と、ドナーシート４６及び６４（第２のドナーシートが使用される場合）は、穴５２を覆うように位置している。すなわち、封じ込めシート４４及び４７と、ドナーシート４６及び６４（第２のドナーシートが使用される場合）は、穴５２を覆うように重なり合い、穴の周辺部分５４を幾分か越えるまで、横方向に延出する。

工作物構造４０は、作業可能などのような材料から製造されてもよい。工作物構造４０の典型的な材料は、６０６１合金などのアルミニウム合金である。ドナーシート４６及び６４とプラグ６６は、作業可能などのような材料であってもよいが、通常、工作物構造４０と同一の材料であるように選択される。封じ込めシート４４及び４７は、ドナーシート４６及び６４（第２のドナーシートが使用される場合）の融点、プラグ６６の融点及び工作物構造４０の融点より高い融点を有する材料から製造される。封じ込めシート４４及び４７は、後にドナーシート４６及び６４、プラグ６６及び工作物構造４０が溶融したときに、それらの要素から外部へ材料が失われるのを防止する。

図１の工程２２で、スタック４２は、穴５２の場所で、第１のドナーシート４６、第２のドナーシート６４（使用される場合）及びプラグ６６を局所的に溶融するのに十分な高さの溶接温度まで局所的に加熱される。溶接温度は、工作物構造４０のうちの、穴の周辺部分５４にすぐ隣接する部分を溶融するほど十分に高い温度であるのが好ましい。溶接温度は、第１の封じ込めシート４４及び第２の封じ込めシート４７を溶融するほどには高くない。それら２つの封じ込めシート４４及び４７は、ドナーシート４６及び６４、プラグ６６及び工作物構造４０が溶融する間に、それらの要素の溶融材料を封じ込める働きをする。

加熱工程２２は、ドナーシート４６及び６４、プラグ６６及び工作物構造４０の全体ではなく、局所的な部分のみが溶融するように制御される。すなわち、それらの要素は、穴の周辺部分５４から横方向外側に向かって、工作物構造４０の厚さの約２分の１を超えない距離だけ溶融されるのが好ましいが、この溶融距離は、周囲の厳密な条件に応じて、それより短くてもよいし、長くてもよい。

加熱工程２２は、実行可能などのような局所加熱技術により実現されてもよい。熱エネルギーは、抵抗電極６８及び７０により供給されるのが好ましい。それらの電極は、それぞれの封じ込めシート４４及び４７の外面と接触するようにスタック４２と整列して配置されるオプションの裏当て板７２及び７４と、それぞれ接触する。抵抗電極６８及び７０は、例えば、好ましい固定電極片であってもよいし、穴が図２〜図４及び図５〜図７の図面の平面に対して垂直に細長い形状である場合には、転がり電極であってもよい。

加熱工程２２の間、溶融した部分は、互いに融合し、混ざり合う。図２〜図４及び図５〜図７の穴修理の場合、プラグ６６は溶融し、ドナーシート４６及び６４（第２のドナーシートが使用される場合）の溶融材料、並びに工作物構造４０の隣接部分と混ざり合う。

その後、工程２４で、全ての溶融材料を凝固させ、先に穴５２であった場所を充填する固体溶接物８４を形成するために、スタック４２は冷却される。溶接物８４は、工作物構造４０を貫通し、更に、工作物構造４０の面から外側に延出する。１つのドナーシート４６が使用された図３の実施形態のように、溶接物８４が工作物構造４０の一方の面で外側へ延出してもよい。また、２つのドナーシート４６及び６４が使用された図６の実施形態の場合には、溶接物８４は、工作物構造４０の両側に延出してもよい。必要に応じて、溶接物８４の凝固を調整するように、冷却が実行されてもよいが、通常、溶融ボリュームの冷却と凝固は、非常に急速に、１秒以下の時間の中で起こる。工程２２の終わりに、水又は他の冷却剤にスタック４２を浸すことにより、冷却を加速させてもよい。

冷却後、スタック４２は分解され、溶融しなかった部分は除去される。すなわち、裏当て板７２及び７４、封じ込めシート４４及び４７、並びにドナーシート４６及び６４の溶融しなかった部分が分離される。その結果、図３及び図６に示されるような構造が得られる。

次に、工程２６で、工作物構造４０から横方向外側へ延出する溶接物８４の余分な部分８６及び８８（存在する場合）が除去されるのが好ましい。この工程により、図４及び図７に示される溶接構造が完成する。除去工程２６は、研削又は機械加工などの実行可能な何らかの方法により実現されてもよい。

除去工程２６を利用する処理により、溶接構造の価格は高くなるが、最終的に得られる溶接構造における溶接物８４は、ドナーシート４６及び６４がない場合より制御性も向上している。工程２２の間、ドナーシート４６及び６４からの溶融材料は、穴５２及びそれに隣接する部分のボリュームに流入し、その場所を確実に充填する。ドナーシート４６及び６４がなければ、溶接物８４に空隙や表面の凹凸ができ、その結果、溶接物の強度が損なわれることがある。本発明に従って、穴より大きめの溶接物を形成し、余分な材料を除去する方法により、そのような空隙及び表面の凹凸が溶接物８４に形成される可能性は、最小限に抑えられ、更に、多孔構造は、余分な部分８６及び８８の中へ移動して、後に除去される。

好ましい一実施形態においては、工作物構造４０、ドナーシート４６及び６４、並びにプラグ６６は、それらが使用される場合、６０６１合金などのアルミニウム系合金から製造される（その他のアルミニウム合金又は非アルミニウム合金が使用されてもよい）。封じ込めシート４４及び４７は、ステンレス鋼又はニッケル系合金などの高温合金から製造される。裏当て板７２及び７４は、低炭素鋼又は工具鋼から製造される。一例を挙げると、工作物構造４０は、約０．０４インチ〜約０．５０インチ（約１．０２ｍｍ〜１ ２．７ｍｍ）の厚さであり、ドナーシート４６及び６４は、それぞれ、約０．０１０インチ〜約０．１２５インチ（約０．２５４ｍｍ〜３．１７５ｍｍ）の厚さであり、封じ込めシート４４及び４７は、それぞれ、最大で約０．５インチ（約１２．７０ｍｍ）の厚さであり、裏当て板７２及び７４は、それぞれ、最大で約０．５インチ（約１２．７０ｍｍ）の厚さである。

例示を目的として、本発明の特定の一実施形態を詳細に説明したが、本発明の趣旨の範囲から逸脱せずに、様々な変形及び改善を実施できる。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限される。

本発明の一実施形態を実施するための好ましい方法のブロック図である。 穴の充填に適用された加熱前の片面スタックの概略立面図である。 スタックを加熱し、冷却し、分解した後、余分な溶接物材料を除去する前の図２の工作物構造部分の概略立面図である。 余分な溶接物材料を除去した後の図３の工作物構造部分の概略立面図である。 穴の充填に適用された加熱前の両面スタックの概略立面図である。 スタックを加熱し、冷却し、分解した後、余分な溶接物材料を除去する前の図５の両面スタックの概略立面図である。 余分な溶接物材料を除去した後の図６の両面スタックの概略立面図である。

符号の説明

４０…工作物構造、４２…スタック、４４…第１の封じ込めシート、４６…第１のドナーシート、４７…第２の封じ込めシート、５２…穴、５４…穴の周辺部分、６４…第２のドナーシート、６８、７０…抵抗電極、７２、７４…裏当て板、８４…溶接物、８６、８８…溶接物の余分な部分

Claims (10)

1. 工作物構造（４０）を修理する方法において、
   第１の封じ込めシート（４４）と、
   前記第１の封じ込めシート（４４）の融点より低い融点を有する第１のドナーシート（４６）と、
   穴（５２）を有し、前記第１の封じ込めシート（４４）の融点より低い融点を有する工作物構造（４０）であって、前記第１の封じ込めシート（４４）及び前記第１のドナーシート（４６）が前記穴（５２）を覆うような工作物構造（４０）と、
   前記穴（５２）の内部に挿入され、前記第１の封じ込めシート（４４）の融点より低い融点を有するプラグ材料から成るプラグ（６６）とを、上記記載の順序で具備するスタック（４２）を作成する工程と；
   その後、電流源を使用して、前記穴（５２）の場所で、前記第１のドナーシート（４６）及び前記プラグ材料を局所的に溶融するには十分な温度であるが、前記第１の封じ込めシート（４４）を溶融するほどには高くない温度まで、前記スタック（４２）を局所的に加熱する工程と；
   全ての溶融材料を凝固させ、溶接物（８４）を形成するために、前記スタック（４２）を冷却する工程とから成る方法。
2. 前記スタック（４２）を作成する工程は、平坦な工作物構造（４０）を提供する工程を含む請求項１記載の方法。
3. 前記スタック（４２）を作成する工程は、前記第１のドナーシート（４６）、前記プラグ（６６）及び前記工作物構造（４０）をアルミニウム合金として提供する工程を含む請求項１記載の方法。
4. 前記スタック（４２）を作成する工程は、前記第１のドナーシート（４６）、前記プラグ（６６）及び前記工作物構造（４０）を同一のアルミニウム合金として提供する工程を含む請求項１記載の方法。
5. 前記スタック（４２）を作成する工程は、前記第１のドナーシート（４６）、前記プラグ（６６）及び前記工作物構造（４０）を同一の合金として提供する工程を含む請求項１記載の方法。
6. 前記スタック（４２）を作成する工程は、１．０２ｍｍ〜１２．７０ｍｍの厚さを有する工作物構造（４０）を提供する工程を含む請求項１記載の方法。
   
7. 前記局所的に加熱する工程は、前記穴（５２）の場所で、前記工作物構造（４０）を局所的に溶融するには十分な温度であるが、前記第１の封じ込めシート（４４）を溶融するほどには高くない温度まで、前記スタック（４２）を局所的に加熱する工程を含む請求項１記載の方法。
8. 前記局所的に加熱する工程は、前記穴（５２）が電極（６８、７０）の間に位置するように、前記スタック（４２）の両側に電極（６８、７０）を配置する工程を含む請求項１記載の方法。
9. 前記冷却する工程の後に、前記溶接物（８４）から余分な材料（８６、８８）を除去する追加工程を含む請求項１記載の方法。
10. 前記スタック（４２）を作成する工程は、
    前記第１の封じ込めシート（４４）と、
    前記第１の封じ込めシート（４４）の融点より低い融点を有する前記第１のドナーシート（４６）と、
    穴（５２）を有し、前記第１の封じ込めシート（４４）の融点より低い融点を有する前記工作物構造（４０）と、
    前記穴（５２）の内部に挿入されるプラグ材料から成る前記プラグ（６６）と、
    前記第１の封じ込めシート（４４）の融点より低い融点を有する第２のドナーシート（６４）と、
    前記第１のドナーシート（４６）、前記工作物構造（４０）及び前記第２のドナーシート（６４）の融点より高い融点を有し、前記第１の封じ込めシート（４４）、前記第１のドナーシート（４６）及び前記第２のドナーシート（６４）と共に、それぞれ、前記穴（５２）を覆う第２の封じ込めシート（４７）とを、
    上記の記載した順序で具備するスタック（４２）を作成する工程を含み、
    前記局所的に加熱する工程は、
    前記穴（５２）の場所で、前記第１のドナーシート（４６）、前記プラグ（６６）及び前記第２のドナーシート（６４）を溶融するには十分な温度であるが、前記第１の封じ込めシート（４４）及び前記第２の封じ込めシート（４７）を溶融するほどには高くない温度まで、前記スタック（４２）を局所的に加熱する工程を含む請求項１記載の方法。