JP6050245B2 - サンドイッチ構造金属薄板の高周波溶接 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも２つの金属薄板と、これらの両金属薄板の間に配置された薄板（前記２つの金属薄板とは異なった化学的組成を有する材料からなる薄板）とからなる第１複合薄板金属部品を、中実金属材料からなる第２薄板金属部品、または少なくとも２つの金属薄板およびこれらの両金属薄板の間に配置された薄板（前記２つの金属薄板とは異なった化学的組成を有する材料からなる薄板）を備えた他の複合材料に溶接する方法に関する。また、本発明は、本発明の方法により製造された溶接半成品および溶接薄板金属構造に関する。

複合薄板金属部品は、２つの金属薄板の間に配置された少なくとも１つの薄板（この薄板は、２つの金属薄板とは異なる化学的組成を有している）を備えた複合材料からなる。この中間薄板はまた、２つの金属薄板とは異なる熱伝導率、密度、融点および蒸発温度、強度および／または導電率を有するものとすることができる。自動車産業では、より軽量な構造にするため、例えばプラスチック材料からなる中間薄板を備えた複合材料を使用できる。これらの複合材料は、しばしば、いわゆるサンドイッチ構造薄板の形態に製造される。このようなサンドイッチ構造薄板は、固体伝播音波に対して優れた減衰効果を有し、したがって、例えばエンジンからの空気伝播音および固体伝播音を減衰させるのにも適している。複合薄板金属部品のコア薄板は、振動を吸収する粘弾性プラスチック材料で構成できる。薄板材料への振動の伝達時に、振動エネルギの大部分は熱に変換され、この結果として音波が減衰される。これらの複合薄板金属部品の特別な使用領域として、油溜め、弁およびギア機構カバー、および例えば隔壁がある。しかしながら、他の領域として、例えば音源の包囲にも使用できる。対応できる構造部品を得るためには、少なくとも２つの金属薄板およびこれらの両薄板間に配置された中間薄板（例えばプラスチック薄板）からなる複合薄板金属部品は、他の構造部品に接合できなくてはならない。原則として、この目的にはイナートガス溶接、レーザビーム溶接またはソルダリング等の接合方法が適している。しかしながら、溶接領域に大きな熱入力があると、プラスチック薄板がダメージを受けるか、破壊されてしまう。下記特許文献１から、少なくとも２つの金属薄板と、これらの両金属薄板の間に配置されたプラスチック薄板とを備えた複合材料からなる薄板金属部品を溶接する方法が知られており、この溶接方法では、複合薄板金属部品はレーザ溶接方法を用いてフルメタル薄板に接合される。しかしながら、レーザ溶接機は非常にコストが嵩むだけでなく、溶接シーム領域内のプラスチックを破壊してしまい、このため、かなりの熟練者のみが気孔の無い溶接継手を得ることができる。しかしながら、高い溶接シーム品質、したがって溶接シームの高い作動強度および耐食性を得るには、事実上気孔の無い溶接継手が必要とされる。

独国特許出願公開第４２ ２１ ２５１（Ａ１）号明細書

上記背景技術に対し、本発明の目的は、少なくとも２つの金属薄板と、これらの両金属薄板の間に配置された薄板（前記２つの金属薄板とは異なった化学的組成を有する材料からなる薄板）とからなる複合薄板金属部品を、中実金属材料からなる第２薄板金属部品、または少なくとも２つの金属薄板およびこれらの両金属薄板の間に配置された薄板（前記２つの金属薄板とは異なった化学的組成を有する材料からなる薄板）を備えた他の複合材料に溶接する方法であって、高い加工信頼性をもって気孔の無い溶接継手を製造できる溶接方法を提供することにある。また、気孔の無い溶接シームを有する溶接半成品および溶接薄板金属構造も提供される。

本発明の第１教示によれば、上記目的は、高周波溶接法を用いて薄板金属部品を溶接する場合に達成される。

高周波溶接では、複合薄板金属部品に高周波交流電流が発生される。この電流は、表皮効果および近接により薄板金属部品の表面に導電される。特にこの方法によってのみ、複合薄板金属部品の金属薄板の縁部の表面に集中電流を発生させることができ、この結果、薄板金属の縁部を選択的にかつ非常に明白に加熱できるため、複合薄板金属部品の縁部領域を、他の複合薄板金属部品または中実材料の薄板金属部品の他の薄板金属の縁部に接合できる。両金属薄板の間に配置された薄板（該薄板は、両金属薄板とは異なる化学的組成を有する材料からなり、プラスチック薄板が好ましい）は、例えばレーザ溶接の場合のように、主としては加熱されず、加熱された金属薄板を介して補助的に加熱されるに過ぎない。したがって、中間薄板（好ましくはプラスチック薄板）は、レーザ溶接と同程度に破壊または蒸発されることがない。事実上、少量の例えばプラスチック材料が蒸発されるに過ぎないため、複合薄板金属部品を他の複合薄板金属部品または中実材料の金属薄板に溶接することにより、実際に気孔の無い溶接継手を製造できる。

本発明による方法の第１変更例によれば、高周波溶接法は、導電的にまたは誘電的に行われる。導電的高周波溶接法では、高周波電流が電気的接点を介して、溶接すべき金属構造部品または溶接すべき金属構造部品の縁部領域に供給される。これに対し、誘導高周波溶接では、金属構造部品内での高周波電流の発生は、適宜に配置された誘導コンダクタを介して無接触態様で行われる。導電高周波溶接では、例えば摺動接点が使用される。

複合薄板金属部品および第２薄板金属部品はストリップ形状が好ましく、この場合、薄板金属部品の溶接は、ストリップ方向に連続的に行われる。この場合、複合薄板金属部品および第２薄板金属部品は、それぞれの複合材料または薄板金属材料からなるコイルとして供給され、コイルが巻き解かれて連続的に溶接される。この方法で、第１複合材料および中実材料または他の複合材料からなる特注ストリップを製造できる。このようにして製造された特注ストリップはコイルに巻回され、次に、遮音構造部品の安価なストリップ方向組立てに使用される。

本発明による方法の他の変更例によれば、溶接は、突合せ継手またはＴ継手の態様で行われる。両溶接継手では、複合薄板金属部品の縁部領域が高周波溶接により極めて良好に加熱されかつ中間薄板（プラスチック薄板が好ましい）に悪影響を与えることなく他の薄板金属部品に溶接できるという事実を使用できる。

好ましくは、複合薄板金属部品の縁部表面および他の薄板金属部品の縁部表面は、溶接突合せ縁部において、金属薄板が少なくとも可塑化される温度に加熱され、薄板金属部品は、この状態で、複合薄板金属部品の少なくとも可塑化された金属材料が、加えられる力の方向に対して垂直に変位するような力で一体に押付けられる。金属材料の変位は、外方および／または内方に生じる。薄板金属部品のコンポーネンツのこの変位は、複合薄板金属部品を第２薄板金属部品に接触させることができ、これにより、例えば複合薄板金属部品の後退する中間薄板（好ましくはプラスチック薄板）が、第２薄板金属部品と簡単な態様で直接接触できる。これにより、気孔の無い溶接シームを作ることができる加工信頼性が更に高められる。

第１薄板金属部品が、中実金属材料の第２薄板金属部品に突合せ継手で溶接され、かつ第２薄板金属部品の金属材料が、中間薄板（プラスチック薄板が好ましい）内に、および第１薄板金属部品の複合材料の金属薄板に対して据え込まれると、複合薄板金属部品が中実材料の薄板金属部品に溶接されたときに、溶接シーム領域内の気泡形成および空気含有が大幅に低減される。

得られた溶接シームの膨張部を機械的に除去するか、機械加工すると、視覚的に満足できる溶接シームを簡単な方法で得ることができる。溶接シームの膨張部は、例えば研削方法によっても簡単に平坦化しまたは完全に除去できる。

本発明の方法によれば、複合薄板金属部品には、次に薄板金属部品を設けることができ、または種々の全範囲の用途に対して他の複合薄板金属部品を設けることもできる。本発明の方法の他の変更例によれば、第１薄板金属部品が０．２５ｍｍ〜１．５ｍｍの厚さを有する鋼薄板と、２０μｍ〜２００μｍ、好ましくは８０μｍ〜１５０μｍの厚さを有するプラスチック薄板とからなる。これらのサンドイッチ薄板金属部品は、多くの使用領域、特に自動車の構造に使用できる。この用途範囲は、本発明の溶接方法により更に拡大される。

本発明の第２教示によれば、上記目的は、２つの金属薄板およびこれらの両金属薄板の間に配置された薄板（前記２つの金属薄板とは異なる化学的組成を有する材料からなる薄板）を備えた複合材料からなる少なくとも第１薄板と、中実金属材料または２つの金属薄板およびこれらの両金属薄板の間に配置された薄板（前記２つの金属薄板とは異なる化学的組成を有する材料からなる薄板）を備えた複合材料からなる第２薄板金属部品とからなり、第１および第２薄板金属部品が、高周波溶接法を用いて互いに溶接された溶接半成品により達成される。前述のように、本発明の方法により製造された半成品および薄板金属構造の溶接シームは、これらが、気孔の無い高い加工信頼性をもって製造されるため、品質は特に高い。したがって、自動車構造および他のセクタでの他の用途領域が、溶接半成品およびこれから製造される薄板金属構造にも拡大される。

複合薄板金属部品は、対称的構造および非対称的構造の両構造にすることができる。溶接された半成品は、同じ厚さまたは異なる厚さにすることができ、異なる厚さにする場合には、一方側または両側に段付き構造を呈する。

複合薄板金属部品および第２薄板金属部品は、異なる金属材料または鋼材料からなり、または異なる金属厚さまたは鋼薄板厚さを有し、半成品は、種々の用途領域に特に最適化できる。

最後に、上記目的は、本発明により製造された半成品からなる薄板金属構造により達成され、この場合、溶接薄板金属構造として、車両の空気伝播音および固体伝播音を減衰させる構造部品がある。前述のように、複合薄板金属部品は、極めて優れた空気伝播音および固体伝播音の減衰特性を有し、したがって、優れた固体伝播音減衰特性および空気伝播音減衰特性および高いシーム品質を有する隔壁、床金属シート、油溜め等を製造できる。

以下、添付図面に関連して、例示実施形態を用いて本発明をより詳細に説明する。

突合せ継手に接触した瞬間および接触した後に高周波電流を受けたときの、接合すべき２つの複合薄板金属部品の縁部領域内の磁力線分布を示す概略断面図である。 電流が供給され、本発明による方法で製造された薄板金属構造の機械加工を受ける前の薄板金属構造の例示実施形態を示す図面である。 溶接シームの機械加工後の図２の溶接薄板金属構造を示す図面である。 参考形態によるストリップ方向の溶接を示す図面である。 溶接シームの機械加工前後の溶接薄板金属構造の他の例示実施形態を示す図面である。

図１ａおよび図１ｂの概略断面図には、第１および第２の複合薄板金属部品１、１’が示されており、該複合薄板金属部品１、１’は、それぞれ、２つの金属薄板２、２’と、これらの金属薄板の間に配置されたプラスチック薄板３、３’とを有している。この例示実施形態に示したプラスチック材料３、３’の中間薄板の代わりに、金属薄板２、２’の化学的組成とは異なる化学的組成を有する任意の中間層３、３’を配置することもできる。図１ａおよび図１ｂでは、金属薄板２、２’およびプラスチック薄板３、３’は正確な縮尺で示されてはいない。プラスチック薄板３、３’の厚さは約２０μｍ〜２００μｍであり、金属薄板２、２’の厚さは約０．２５ｍｍ〜１．５ｍｍである。複合薄板金属部品１、１’は、接触前および接触中に、高周波電流により異なる位置で荷電される。複合薄板金属部品の縁部領域内の磁力線パターン（field line pattern, Feldlinienverlauf（英、独訳））４は、電界線が縁部領域に集中しており、したがって縁部領域内に高周波電流密度をもたらすことを示している。これらの複合薄板金属部品１、１’が高周波電流を受けると、複合薄板金属部品の金属薄板の縁部領域が極めて高温になることが判明している。金属薄板２、２’の間に配置されたプラスチック薄板３、３’のプラスチック材料は、隣接する金属薄板２、２’により補助的に加熱されるに過ぎない。すなわち、プラスチック薄板３、３’のプラスチック材料は、金属薄板２、２’からの熱伝導によってのみ加熱される。レーザ溶接または他の溶接方法で生じるプラスチック薄板３、３’の直接加熱は、プラスチック薄板が介在された複合薄板金属部品の高周波溶接では生じない。プラスチック薄板３、３’の補助的加熱は、サンドイッチ構造を有する複合薄板金属部品を溶接するときに、溶接シーム内のプラスチック層３、３’の完全蒸発が防止される限り有利である。したがって、得られる溶接シームは、気孔およびキャビティの無いものが製造される。

図２は、本発明による方法の例示実施形態による溶接継手の製造を示すものであり、この方法では、複合薄板金属部品１が、中実材料からなる第２薄板金属部品５に接合される。縁部領域を高周波電流により加熱して可塑化させた後、複合薄板金属部品１の金属薄板２が外方に変位されるように、突合せ継手の縁部を力Ｆで一体に押付ける。プラスチック薄板３の補助的加熱にも係わらず、プラスチック薄板とは無関係の部分のみが蒸発される。２つの薄板金属部品１、５を一体に押付けることにより、薄板金属部品５の内側部分が、複合薄板金属部品１の金属薄板２に対して内側から押付けられる。複合薄板金属部品１および第２薄板金属部品５の縁部の可塑化されたコンシステンシーにより、複合薄板金属部品１の金属薄板と薄板金属部品５の金属との間に凝集継手（cohesive joint, stoffschluessige Verbindung（英、独訳））が形成される。事実上気孔が無く、高い加工信頼性をもって製造される溶接シームは、次に、例えば平削り等の機械加工を施すことができる。この結果、平らな溶接シームには、図３の概略図に示すような材料分布が形成される。これと同じ構造の溶接シームは、複合薄板金属部品１と中実材料薄板５との間に、極めて優れた荷重支持溶接継手を確保できる。

図４には、中実材料からなる薄板金属部品のストリップ材料７への、複合薄板金属部品１のストリップ材料６のストリップ方向の溶接が概略的に示されている。ストリップ材料７、６の縁部に沿って移動する高周波電流により、簡単なストリップ方向の溶接を遂行でき、これにより、複合薄板金属部品１および例えば中実材料の薄板金属部品５からなる同様に溶接された半成品を非常に経済的に製造できる。この目的のため、複合材料のストリップの金属薄板の縁部を中実材料のストリップの縁部に溶接する、例えば横方向に取付けられたローラを用いて、両ストリップが溶接箇所で一体に押圧される。これと同じことが、図５ａおよび図５ｂに示すように、２つの複合薄板金属部品の溶接にも適用できる。

図５ａは、金属薄板２およびこれらの金属薄板２の間に横たわるプラスチック薄板３を備えた、溶接中の第１複合薄板金属部品１を示す概略断面図である。金属薄板２’およびこれらの金属薄板２’の間に配置されたプラスチック薄板３’を備えた他の複合薄板金属部品８が、高周波電流により加熱された後に縁部領域に力Ｆを加えることにより互いに押付けられ、これにより、外側の金属薄板２、２’が外方に変位されかつ同時に凝集接合を形成する。両プラスチック薄板３、３’が互いに確実に押圧され、このため、溶接中に必然的に蒸発するプラスチック材料が、気孔の形成をもたらすことはない。図３に既に示したように、次に、溶接シームを機械加工して溶接の膨張部を除去でき、これにより、図５ｂの概略断面図に示すような溶接構造部品が製造される。

中実材料からなる薄板金属部品への複合薄板金属部品の接合は、複合薄板金属部品の広範囲の使用領域、特に、床金属薄板、油溜め、隔壁等の領域の自動車構造に用途が開けている。

１、１’ 第１複合薄板金属部品
２、２’ 金属薄板
３、３’ プラスチック薄板
４ 磁力線パターン
５ 第２薄板金属部品
６ 複合薄板金属部品のストリップ材料
７ 中実材料からなる薄板金属部品のストリップ材料
８ 他の複合薄板金属部品

Claims (11)

1. 少なくとも２つの金属薄板と、これらの両金属薄板の間に配置されたプラスチック薄板とからなる第１複合薄板金属部品を、中実金属材料からなる第２薄板金属部品に溶接する方法において、第１複合薄板金属部品が、中実金属材料からなる第２薄板金属部品に突合せ継手で高周波溶接法を用いて溶接され、第２薄板金属部品の金属材料が、第１複合薄板金属部品のプラスチック薄板内におよび金属薄板に対して押付けられることを特徴とする溶接方法。
2. 前記高周波溶接法が、導電的にまたは誘電的に行われることを特徴とする請求項１記載の溶接方法。
3. 前記複合薄板金属部品および第２薄板金属部品がストリップ形状を有し、薄板金属部品の溶接が、ストリップ方向に連続的に行われることを特徴とする請求項１または２記載の溶接方法。
4. 前記複合薄板金属部品の縁部表面および前記第２薄板金属部品の縁部表面が、溶接突合せ縁部において、金属薄板が少なくとも可塑化される温度に加熱され、薄板金属部品が、この状態で、複合薄板金属部品の少なくとも可塑化された金属材料が、加えられる力の方向に対して垂直に変位するような力で一体に押付けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の溶接方法。
5. 得られた溶接シームの膨張部が機械的に除去されるか、機械加工されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の溶接方法。
6. 前記複合薄板金属部品が０．２５ｍｍ〜１．５ｍｍの厚さを有する鋼薄板と、２０μｍ〜２００μｍの厚さを有するプラスチック薄板とからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の溶接方法。
7. 前記複合薄板金属部品が０．２５ｍｍ〜１．５ｍｍの厚さを有する鋼薄板と、８０μｍ〜１５０μｍの厚さを有するプラスチック薄板とからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の溶接方法。
8. ２つの金属薄板と、これらの両金属薄板の間に配置されたプラスチック薄板とからなる少なくとも第１複合薄板金属部品と、中実金属材料からなる第２薄板金属部品とからなる溶接半成品において、前記複合薄板金属部品および前記第２薄板金属部品が、突合せ継手の態様で高周波溶接部を構成しており、溶接シームは前記プラスチック薄板と前記第２薄板金属部品とが直接接触し、かつ、前記プラスチック薄板が後退していることを特徴とする溶接半成品。
9. 前記複合薄板金属部品および第２薄板金属部品が、異なる金属材料または鋼材料からなり、または異なる金属厚さまたは鋼薄板厚さを有することを特徴とする請求項８記載の溶接半成品。
10. 車両の空気伝播音および固体伝播音を減衰させる構造部品であることを特徴とする、請求項８または９記載の溶接半成品からなる溶接薄板金属構造。
11. 車両のボディ床組立体、隔壁または油溜めの部品であることを特徴とする、請求項１０記載の溶接薄板金属構造。
    
    

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