JP7025489B2 - 異材接合用アーク溶接法、接合補助部材、及び、異材溶接継手 - Google Patents
異材接合用アーク溶接法、接合補助部材、及び、異材溶接継手 Download PDFInfo
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そこで、本発明者らは、鋼同士の溶接を結合力として用い、さらに拘束力を利用して異材の接合を達成する手段を考案した。
(1) アルミニウム合金もしくはマグネシウム合金製の第1の板と、鋼製の第2の板と、を接合する異材接合用アーク溶接法であって、
前記第1の板に円形の穴を空ける工程と、
軸部とフランジ部とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、前記軸部及び前記フランジ部を貫通する中空部が形成され、前記軸部の最大外径及び前記フランジ部の幅が前記第1の板の穴の直径よりそれぞれ大きく、前記軸部がフランジ部側でくびれ部を有する鋼製の接合補助部材を、前記第1の板の穴に圧入する工程と、
前記第1の板と前記第2の板を重ね合わせる工程と、
以下の(a)~(e)のいずれかの手法によって、前記接合補助部材の中空部を溶接金属で充填すると共に、前記第2の板及び前記接合補助部材を溶接する工程と、
を備える異材接合用アーク溶接法。
(a)鉄合金、または、Ni合金の前記溶接金属が得られる溶接ワイヤを溶極として用いるガスシールドアーク溶接法。
(b)前記溶接ワイヤを溶極として用いるノンガスアーク溶接法。
(c)前記溶接ワイヤを非溶極フィラーとして用いるガスタングステンアーク溶接法。
(d)前記溶接ワイヤを非溶極フィラーとして用いるプラズマアーク溶接法。
(e)鉄合金、または、Ni合金の前記溶接金属が得られる被覆アーク溶接棒を溶極として用いる被覆アーク溶接法。
(2) 前記第2の板には、絞り加工により膨出部が形成されており、
前記重ね合わせ工程において、前記第2の板の膨出部が、前記第1の板の穴内に配置される、(1)に記載の異材接合用アーク溶接法。
(3) 前記重ね合わせ工程の前に、前記第1の板と前記第2の板の少なくとも一方の重ね合せ面には、前記穴の周囲に、全周に亘って接着剤を塗布する工程を、さらに備える、(1)又は(2)に記載の異材接合用アーク溶接法。
(4) 前記圧入工程において、前記接合補助部材と、該接合補助部材と対向する前記第1の板との間の少なくとも一方の対向面に、接着剤を塗布する、(1)~(3)のいずれかに記載の異材接合用アーク溶接法。
(5) 前記圧入工程の際、又は、前記充填溶接工程後に、前記接合補助部材と、前記第1の板の表面との境界部に接着剤を塗布する、(1)~(4)のいずれかに記載の異材接合用アーク溶接法。
鋼製で、軸部とフランジ部とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、前記軸部及び前記フランジ部を貫通する中空部が形成され、前記軸部の最大外径及び前記フランジ部の幅が前記第1の板の穴の直径よりそれぞれ大きく、前記軸部がフランジ部側でくびれ部を有する、接合補助部材。
前記第1の板は、前記第2の板との重ね合わせ面に臨む円形の穴を有し、
前記第1の板に設けられた穴に圧入されている軸部と、フランジ部と、を持った段付きの外形形状を有し、且つ、前記軸部及び前記フランジ部を貫通する中空部が形成され、前記軸部の最大外径及び前記フランジ部の幅が前記第1の板の穴の直径よりそれぞれ大きく、前記軸部がフランジ部側でくびれ部を有する鋼製の接合補助部材をさらに備え、
前記接合補助部材の中空部は、鉄合金、または、Ni合金の溶接金属で充填されると共に、前記溶接金属と、溶融された前記第2の板及び前記接合補助部材の一部とによって溶融部が形成される、異材溶接継手。
(8) 前記第1の板の穴内には、前記第2の板に形成された膨出部が配置される、(7)に記載の異材溶接継手。
(9) 前記第1の板と前記第2の板の少なくとも一方の前記重ね合せ面には、前記穴の周囲に、全周に亘って設けられた接着剤を備える、(7)又は(8)に記載の異材溶接継手。
(10) 前記接合補助部材と、該接合補助部材と対向する前記第1の板との間の少なくとも一方の対向面に設けられた接着剤を備える、(7)~(9)のいずれかに記載の異材溶接継手。
(11) 前記接合補助部材と、前記第1の板の表面との境界部に設けられた接着剤を備える、(7)~(10)のいずれかに記載の異材溶接継手。
(12) 前記接合補助部材の軸部は、前記第1の板の穴に圧入して固定されている、(7)~(11)のいずれかに記載の異材溶接継手。
(13) 鋼製の板材とアーク溶接することで異材溶接継手を形成可能な接合補助部材付き板材であって、
円形の穴を有するアルミニウム合金もしくはマグネシウム合金製の板材と、
軸部と、フランジ部と、を持った段付きの外形形状を有し、且つ、前記軸部及び前記フランジ部を貫通する中空部が形成され、前記軸部の最大外径及び前記フランジ部の幅が前記板材の穴の直径よりそれぞれ大きく、前記軸部がフランジ部側でくびれ部を有する鋼製の接合補助部材と、を備え、
前記接合補助部材は、前記軸部が前記板材に設けられた穴内に固定されることで、前記板材に取り付けられている、接合補助部材付き板材。
(14) 前記接合補助部材の軸部は、前記板材の穴に圧入して固定されている、(13)に記載の接合補助部材付き板材。
また、後述するように、軸部31の最大外径PD1及びフランジ部32の幅PD2は、上板10の穴11の直径BDよりそれぞれ大きく設定されている(図21A参照)。
なお、くびれ部39における機能は、図2、図3A、図3Bの接合補助部材30のいずれであっても実質的に変わらないため、任意の接合補助部材30を用いて以降の説明を行っている。また、図4は、図3Aの接合補助部材30を用いた場合の異材溶接継手1の図1Bに対応する断面図である。
なお、これらの接合補助部材30では、後述するフランジ部32の幅PD2は、最も短い対向面間距離で規定される。
まず、図6Aに示すように、上板10に穴11を空ける穴開け作業を行う(ステップS1)。次に、図6Bに示すように、接合補助部材30の軸部31を、上板10の上面から、上板10の穴11に圧入する(ステップS2)。さらに、図6Cに示すように、上板10と下板20を重ね合わせる重ね合わせ作業を行う(ステップS3)。そして、図6Dに示すように、以下に詳述する(a)溶極式ガスシールドアーク溶接法、(b)ノンガスアーク溶接法、(c)ガスタングステンアーク溶接法、(d)プラズマアーク溶接法、(e)被覆アーク溶接法のいずれかのアーク溶接作業を行うことで、上板10と下板20とを接合する(ステップS4)。なお、図6Dは、(a)溶極式ガスシールドアーク溶接法を用いてアーク溶接作業が行われた場合を示している。
一般的に、フィラーワイヤは通電されないが、通電させて溶融速度を高めるホットワイヤ方式TIGもある。この場合、フィラーワイヤにはアークは発生しない。
具体的には、JISとして(a)Z3312,Z3313,Z3317,Z3318,Z3321,Z3323,Z3334、(b)Z3313、(c)Z3316,Z3321,Z3334,(d)Z3211,Z3221,Z3223,Z3224、AWS(American Welding Society)として、(a)A5.9,A5.14,A5.18,A5.20,A5.22,A5.28,A5.29,A5.34、(b)A5.20、(c)A5.9,A5.14,A5.18,A5.28,(d)A5.1,A5.4,A5.5,A5.11といった規格材が流通している。
ただし、下板20が溶けずに、溶接金属40が乗っかっているだけであると、高い強度は得られない。また、溶接金属40が深く溶け込みすぎて、溶接金属40と下板20が溶け落ちてしまわないように溶接する必要がある。
以上の作業によって、Al合金やMg合金製の上板10と鋼製の下板20は高い強度で接合される。
このように単にアルミ製の上板10と鋼製の下板20を重ねて、貫通溶接しようとしても、溶接金属40aは全部分が金属間化合物になってしまうので、せん断引張にも剥離引張にも弱く、溶接継手としては実用にならない。
この場合、溶接初期に形成される下板20となっている鋼と溶接材料で形成される溶接金属40bはアルミを溶かしていないので、金属間化合物は生成せず、高い強度と靱性を有しており、下板20と強固に結合されている。また、上板10に開けられた穴11の内部に形成された溶接金属40bは、アルミが溶融する割合が非常に少なく、金属間化合物の生成は大幅に抑制され、特に中心部は健全性を有している。ただし、上板10に設けられた穴11の近傍に限れば、アルミと鋼、あるいはアルミとニッケルの金属化合物層を形成する。このような異材溶接継手100bに対し、図14Aに示すように、せん断引張応力がかかった場合、下板側は強固に金属結合しているため、高い応力に耐える。一方、上板側は金属間化合物が穴周囲に形成されてはいるが、それが剥離して動くことは形状的にできないため、初期には上板10、下板20の母材が変形する。このため、ほぼ変形せずに脆性破断する図9A及び図9Bの異材溶接継手100aと比較すると、変形能力の向上が見られる。しかし、母材の変形が進み、図14Bに示すように、接合部が90°近く傾斜すると上下剥離引張と同じ状態になる。このようになると穴11の周囲部に形成された金属間化合物が剥離し、上板10が溶接部から容易に抜けてしまう。つまり、改善が不十分である。この結果は、図15A及び図15Bに示すように、上下引張方向試験でも無論同じである。
なお、押し込み圧力が強いと軸部31だけでなく、フランジ部32の一部まで上板10の母材に押し込まれることがあるが、問題は無い(図4参照)。むしろ、フランジ部32の外径が非円形(図5A、図5B、図5C、図5D参照)であれば、フランジ部32の一部が上板10の母材に押し込まれることで、上板10が下板20に対して水平方向の回転力が作用したとき比較的弱い力でかしめ効果が外れて回転してしまう現象を防止する効果があるので、望ましい。
軸部高さPH1は、上板10の板厚BHの10%以上100%以下に設計される。接合補助部材30の軸部31は、上述したAl,Mgの上板10の溶接工程時の溶融量低減および、および接合補助部材30の上板10の穴11への圧入によるかしめ拘束効果がある。軸部高さPH1が大きいほど、アーク熱の上板10への伝熱を防ぐため、前者の効果が高くなって望ましい。しかし、軸部高さPH1が、上板10の板厚BHを超えて大きくなると、上板10と下板20にギャップができてしまうので望ましくない。したがって、軸部高さPH1の上限は、板厚BHに対し100%である。一方、10%より小さいと、前者の効果が得られなくなり、上板10の溶融による溶接金属40の脆化が著しくなる。また、後者のかしめ拘束効果も得られなくなり、容易に外れてしまう。したがって、軸部高さPH1の下限は10%である。
軸部31の最大外径PD1は、上板10の穴11の直径BDに対し102%以上125%以下に設計される。接合補助部材30の軸部31には、上板10への圧入によるかしめ拘束をさせる働きがある。その効果を発揮させるには、上板10の穴径よりも大きくなければならない。穴径BDに対し、最低2%以上大きくなければ、上板穴近傍に適切な圧力をかけることができない。ゆえに最大102%以上である。一方、軸部31の最大外径PD1が大きくなるほど、かしめ力は強くなるが、圧入に必要な力が大きくなって、簡便性が損なわれ、さらには上板穴周辺の圧力に耐えられず、亀裂発生してしまうことにもなりかねない。これらの理由から軸部31の最大外径PD1の上限は決まり、具体的には125%とする。
フランジ部32の幅PD2は、上板10の穴11の直径BDに対し105%以上に設計される。接合補助部材30のフランジ部32は、上述したように、板厚方向への外部応力、言い換えれば引き剥がす応力が働いた際への抵抗力としての主体的役割を持つ。部材構成の中では、軸部31も上板10に対するかしめ拘束効果である程度、剥離応力に対する抵抗力を持つが、フランジ部32はその役割が大きい。接合補助部材30はフランジ部32の幅PD2が大きく、かつ厚さが大きいほど板厚方向(3次元方向)の外部応力に対して強度を増すため、望ましい。フランジ部32の幅PD2が穴11の直径BDXに対し105%未満では、接合補助部材30が板厚方向への外部応力に対して弾塑性変形した場合、上板10の穴11の大きさ以下の見かけ寸法に容易になりやすく、さすれば上板10が抜けてしまいやすくなる。つまり、接合補助部材30が高い抵抗力を示さない。したがって、フランジ部32の幅PD2は、穴11の直径BDの105%をそれぞれ下限とする。より好ましくは、フランジ部32の幅PD2は、穴11の直径BDの120%をそれぞれ下限とするとよい。一方、接合部強度の観点では上限を設ける必要は無い。
フランジ部32の厚さPH2は、上板10の板厚BHの50%以上150%以下に設計される。上記で述べたとおり、接合補助部材30のフランジ部32は外形寸法が大きく、かつ厚さPH2が大きいほど板厚方向(3次元方向)の外部応力に対して強度を増すため、望ましい。このフランジ部32の厚さPH2は継手の上板10の板厚BHに応じて大きくすることで高い抵抗力を発揮する。フランジ部32の厚さPH2が上板10の板厚BHの50%未満では、接合補助部材30のフランジ部32が板厚方向への外部応力に対して容易に弾塑性変形を生じ、上板10の穴11の大きさ以下の見かけ寸法になると、抜けやすくなる。つまり、接合補助部材30が高い抵抗力を示さない。したがって、フランジ部32の厚さPH2は上板10の板厚BHの50%を下限とする。一方、フランジ部32の厚さPH2が上板10の板厚BHの150%を超えて大きくすると、継手強度的には問題ないが、過剰に張り出した形状となって外観が悪いだけでなく、重量も重くなる。したがって、フランジ部32の厚さPH2は、上板10の板厚BHの150%以下にすることが必要である。
上述のとおり、接合補助部材30は、板厚方向(3次元方向)の外部応力に対して抵抗力を発揮する役割があるが、中空部33を完全に埋めなければ高い抵抗力を発揮しない。中空部33が完全に埋まらず、中空部33の内側面が残った状態であると、接合補助部材30と溶接金属40との結合面積が不足し、容易に外れてしまうことがある。接合補助部材30と溶接金属40の結合面積を高めるためには、完全に充填し、余盛りWaが形成されることが望ましい。余盛りWaが形成されると、その直径WDは接合補助部材30の中空部33の直径PSを超えることになる。余盛りWaの直径WDは、それぞれ接合補助部材30の中空部33の直径PSの105%以上とすると確実に余盛り形成されたことになるため、これを下限値とする。
Al合金やMg合金製の上板10の板厚が比較的薄い場合には、下板20は無加工とし、上板10は穴開けして、接合時に接合補助部材30を穴11に挿入するだけで良好な溶接が可能となる。しかし、上板10の板厚が大きいと、溶接工程で、接合補助部材30の中空部33を充填するのに時間がかかり、能率が悪くなる。また、熱量が過大となって、充填完了するより先に下板20の鋼板が溶け落ちしてしまいやすくなる。このため、下板20について絞り加工で膨出部21を設ければ、穴11の体積が小さくなるので溶け落ち欠陥を防ぎながら、充填することができる。
これにより、Al合金もしくはMg合金の上板10と鋼の下板20を、安価なアーク溶接設備を用いて、強固かつ信頼性の高い品質で接合でき、かつ開断面構造にも閉断面構造にも制限無く適用できる。
これにより、Al合金もしくはMg合金の上板10と鋼の下板20とを備えた異材溶接継手1は、安価なアーク溶接設備を用いて、強固かつ信頼性の高い品質で接合され、かつ開断面構造にも閉断面構造にも制限無く適用できる。
これにより、接合補助部材付き板材は、鋼製の下板(鋼製の板材)20とアーク溶接することで、強固かつ信頼性の高い品質で異材溶接継手を形成することができる。
11 穴
20 下板
30 接合補助部材
31 軸部
32 フランジ部
33 中空部
40 溶接金属
W 溶融部
Wa 余盛り
Claims (12)
- アルミニウム合金もしくはマグネシウム合金製の第1の板と、鋼製の第2の板と、を接合する異材接合用アーク溶接法であって、
前記第1の板に円形の穴を空ける工程と、
軸部とフランジ部とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、前記軸部及び前記フランジ部を貫通する中空部が形成され、前記軸部の最大外径及び前記フランジ部の幅が前記第1の板の穴の直径よりそれぞれ大きく、前記軸部がフランジ部側でくびれ部を有する鋼製の接合補助部材を、前記第1の板の穴に圧入する工程と、
前記第1の板と前記第2の板を重ね合わせる工程と、
以下の(a)~(e)のいずれかの手法によって、前記接合補助部材の中空部を溶接金属で充填すると共に、前記溶接金属を前記第2の板に裏波が出る状態まで溶け込ませ、前記第2の板及び前記接合補助部材を溶接する工程と、
を備える異材接合用アーク溶接法。
(a)鉄合金、または、Ni合金の前記溶接金属が得られる溶接ワイヤを溶極として用いるガスシールドアーク溶接法。
(b)前記溶接ワイヤを溶極として用いるノンガスアーク溶接法。
(c)前記溶接ワイヤを非溶極フィラーとして用いるガスタングステンアーク溶接法。
(d)前記溶接ワイヤを非溶極フィラーとして用いるプラズマアーク溶接法。
(e)鉄合金、または、Ni合金の前記溶接金属が得られる被覆アーク溶接棒を溶極として用いる被覆アーク溶接法。 - 前記第2の板には、絞り加工により膨出部が形成されており、
前記重ね合わせ工程において、前記第2の板の膨出部が、前記第1の板の穴内に配置される、請求項1に記載の異材接合用アーク溶接法。 - 前記重ね合わせ工程の前に、前記第1の板と前記第2の板の少なくとも一方の重ね合せ面には、前記穴の周囲に、全周に亘って接着剤を塗布する工程を、さらに備える、請求項1又は2に記載の異材接合用アーク溶接法。
- 前記圧入工程において、前記接合補助部材と、該接合補助部材と対向する前記第1の板との間の少なくとも一方の対向面に、接着剤を塗布する、請求項1~3のいずれか1項に記載の異材接合用アーク溶接法。
- 前記圧入工程の際、又は、前記充填溶接工程後に、前記接合補助部材と、前記第1の板の表面との境界部に接着剤を塗布する、請求項1~4のいずれか1項に記載の異材接合用アーク溶接法。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載の異材接合用アーク溶接法に用いられ、
鋼製で、軸部とフランジ部とを持った段付きの外形形状を有し、且つ、前記軸部及び前記フランジ部を貫通する中空部が形成され、前記軸部の最大外径及び前記フランジ部の幅が前記第1の板の穴の直径よりそれぞれ大きく、前記軸部がフランジ部側でくびれ部を有する、接合補助部材。 - アルミニウム合金もしくはマグネシウム合金製の第1の板と、該第1の板に重ね合わされた、鋼製の第2の板と、を備える異材溶接継手であって、
前記第1の板は、前記第2の板との重ね合わせ面に臨む円形の穴を有し、
前記第1の板に設けられた穴内に固定されている軸部と、フランジ部と、を持った段付きの外形形状を有し、且つ、前記軸部及び前記フランジ部を貫通する中空部が形成され、前記軸部の最大外径及び前記フランジ部の幅が前記第1の板の穴の直径よりそれぞれ大きく、前記軸部がフランジ部側でくびれ部を有する鋼製の接合補助部材をさらに備え、
前記接合補助部材の中空部は、鉄合金、または、Ni合金の溶接金属で充填されると共に、前記溶接金属は前記第2の板に裏波が出る状態まで溶け込んでおり、前記溶接金属と、溶融された前記第2の板及び前記接合補助部材の一部とによって溶融部が形成される、
異材溶接継手。 - 前記第1の板の穴内には、前記第2の板に形成された膨出部が配置される、請求項7に記載の異材溶接継手。
- 前記第1の板と前記第2の板の少なくとも一方の前記重ね合せ面には、前記穴の周囲に、全周に亘って設けられた接着剤を備える、請求項7又は8に記載の異材溶接継手。
- 前記接合補助部材と、該接合補助部材と対向する前記第1の板との間の少なくとも一方の対向面に設けられた接着剤を備える、請求項7~9のいずれか1項に記載の異材溶接継手。
- 前記接合補助部材と、前記第1の板の表面との境界部に設けられた接着剤を備える、請求項7~10のいずれか1項に記載の異材溶接継手。
- 前記接合補助部材の軸部は、前記第1の板の穴に圧入して固定されている、請求項7~11のいずれか1項に記載の異材溶接継手。
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