JP4785846B2 - 抵抗溶接法 - Google Patents

Description

本願は、２００４年７月２３日に出願された米国仮特許出願第６０／５９０，６５４号の優先権を主張するものである。

本発明は、全体として冶金学に関し、更に詳細には、電流を使用して溶接を行うための方法に関する。

チューブを別のチューブに溶接したり、ブラケットやプレートをチューブに溶接したりするための従来の方法には、ガス−金属アーク溶接が含まれる。ガス−金属アーク溶接は、溶極（消耗）金属ワイヤを一方の電極として使用し且つ部品を別の電極として使用し、溶極金属ワイヤ（又は部品）を移動してアークを発生し、部品を互いに溶接する。溶接は、酸化を防止し且つアークを安定するため、ガス（アルゴン及び二酸化炭素の混合物等）を使用しながら行われる。このようなガス−金属アーク溶接は周知である。従来のガス−金属アーク溶接技術では、中実の金属ワイヤ又は金属コアワイヤ（即ち、金属、合金、及び／又は酸化物の粉体の混合物等の金属粉体を、コアに充填した環状の中実ワイヤ）を使用する。ワイヤは、代表的には、正の溶接電位にあり、部品は電気的に接地される。溶接アークは、溶融状態の溶接パドルを形成し、これにより部品を互いに溶接する。ガス−金属アーク溶接は、高価な溶接機器を必要とし、溶融状態の溶接パドルは、接合領域（重力に関する接合位置に応じて）から流出し易く、そのため、溶接部の品質が一貫性を欠き、プロセスは溶接間に長いサイクル時間を必要とする。

部品を互いに取り付けるための従来の方法には、更に、摩擦溶接が含まれる。二つのチューブの端部と端部とを互いに接合するため、一方のチューブをその長さ方向軸線を中心として回転し、これらのチューブの端部を互いに押し付ける。摩擦により端部が加熱され、溶接部を形成する。チューブをプレートに接合するためには、チューブをその長さ方向軸線を中心として回転し、チューブの端部とプレートとを互いに押し付ける。摩擦により発生した熱が溶接部を形成する。摩擦溶接は高価な溶接機器を必要とし、プロセスは溶接間に長いサイクル時間を必要とする。摩擦溶接は、薄壁チューブには容易には適用できない。というのは、こうした薄壁チューブは、熱及び圧力が加わった状態では形状を保持しないためである。上述の接合について、レーザー及び電子ビーム溶接を行うにも、高価な機器及び電流を使用する改良された溶接方法を必要とするということに着目されたい。

本発明の目的は、改良溶接方法を提供することである。

本発明の第１の方法は溶接方法であり、工程ａ）乃至工程ｈ）を含む。工程ａ）は、第１通穴を持つ第１押出部を備えた第１部材を得る工程を含む。工程ｂ）は、第２通穴を持つ第２押出部を備えた第２部材を得る工程を含む。工程ｃ）は、第１電極部分を持つ第１電極を得る工程を含む。工程ｄ）は、第２電極部分を持つ第２電極を得る工程を含む。工程ｅ）は、第２押出部を第１押出部に当接させて第２押出部が第１通穴と入れ子状に重なる（並設状態で重なる）ように、第２部材を位置決めする工程を含む。工程ｆ）は、第１電極部分を第２押出部の内側に当接させて第１電極部分が第２通穴と入れ子状に重なる（並設状態で重なる）ように、第１電極を位置決めする工程を含む。工程ｇ）は、第２電極部分が第１押出部の外側と接触するように第２電極を配置する工程を含む。工程ｈ）は、第１電極と、第２押出部と、第１押出部と、第２電極とを通る溶接電流経路を形成し、第１押出部及び第２押出部の少なくとも幾分かを含む溶接ゾーンを形成する工程を含む。

本発明の第２の方法は溶接方法であり、工程ａ）乃至工程ｈ）を含む。工程ａ）は、第１通穴を持つ第１押出部を備えた側壁を含むチューブを得る工程を含む。工程ｂ）は、第２通穴を持つ第２押出部を備えた部材を得る工程を含む。工程ｃ）は、第１電極部分を持つ第１電極を得る工程を含む。工程ｄ）は、第２電極部分を持つ第２電極を得る工程を含む。工程ｅ）は、第２押出部を第１押出部に当接させて第２押出部が第１通穴と入れ子状に重なる（並設状態で重なる）ように、部材をチューブの外側から位置決めする工程を含む。工程ｆ）は、第１電極部分を第２押出部の内側に当接させて第１電極部分が第２通穴と入れ子状に重なる（並設状態で重なる）ように、第１電極をチューブの外側から位置決めする工程を含む。工程ｇ）は、第２電極部分がチューブの内側から第１押出部の外側と接触するように、第２電極を位置決めする工程を含む。工程ｈ）は、第１電極と、第２押出部と、第１押出部と、第２電極とを通る溶接電流経路を形成し、第１押出部及び第２押出部の少なくとも幾分かを含む溶接ゾーンを形成する工程を含む。

本発明の第３の方法は溶接方法であり、工程ａ）乃至工程ｄ）を含む。工程ａ）は、第１端部形態を備えた第１チューブを得る工程を含む。工程ｂ）は、第１部分及び第２部分を備えた部材を得る工程を含む。工程ｃ）は、第１端部形態が第１部分と接触しており且つ第１端部形態と第２部分との間に第１凹所を残すように、第１チューブ及び部材を位置決めする工程を含む。工程ｄ）は、第１端部形態及び部材を通る溶接電流経路を形成し、第１端部形態を、部材に対し、変形を生じるように相対的に移動して、第１凹所をなくし、第１端部形態の少なくとも幾分か及び部材の少なくとも幾分かを含む溶接ゾーンを形成する工程を含む。

本発明の第４の方法は、溶接方法であり、工程ａ）乃至ｄ）を含む。工程ａ）は、外方に巻き返した形状を持つ第１端部形態を含む第１チューブを得る工程を含む。工程ｂ）は、第１部分及び第２部分を備えた部材を得る工程を含む。工程ｃ）は、第１端部形態が第１部分と接触しており且つ第１端部形態と第２部分との間に第１凹所を残すように、第１チューブ及び部材を位置決めする工程を含む。工程ｄ）は、第１端部形態及び部材を通る溶接電流経路を形成する工程、及び第１端部形態を部材に対して変形を生じるように相対的に移動して、第１凹所をなくし、第１端部形態の少なくとも幾分か及び部材の少なくとも幾分かを含む溶接ゾーンを形成する工程を含む。

本発明の方法のうちの一つ又はそれ以上から、幾つかの利点が得られる。電流を使用する溶接は、ガス−金属アーク溶接や摩擦溶接よりも費用がかからない。電流を使用する溶接は、更に、溶接間のサイクル時間がガス−金属アーク溶接や摩擦溶接よりも短い。変形溶接により、脆性の電子化合物を形成することなく、異種材料の固体状態の溶接が可能になる。

本発明の第１の方法は、二つの部材を互いに溶接するための方法であり、溶接中に使用されるこれらの部材の一実施例及び二つの電極の一実施例を図１及び図２に示す。第１の方法は、工程ａ）乃至工程ｈ）を含む。工程ａ）は、第１通穴１４を持つ第１押出部１２を備えた第１部材１０を得る工程を含む。工程ｂ）は、第２通穴２０を持つ第２押出部１８を備えた第２部材１６を得る工程を含む。工程ｃ）は、第１電極部分２４を持つ第１電極２２を得る工程を含む。工程ｄ）は、第２電極部分２８を持つ第２電極２６を得る工程を含む。工程ｅ）は、第２押出部１８を第１押出部１２に当接させて第２押出部１８が第１通穴１４と入れ子状に重なるように（並設状態で重なるように）、第２部材１６を配置する工程を含む。工程ｆ）は、第１電極部分２４を第２押出部１８の内側に当接させて第１電極部分２４が第２通穴２０と入れ子状に重なるように（並設状態で重なるように）、第１電極２２を配置する工程を含む。工程ｇ）は、第２電極部分２８が第１押出部１２の外側と接触するように第２電極２６を配置する工程を含む。工程ｈ）は、第１電極２２と、第２押出部１８と、第１押出部１２と、第２電極２６とを通る溶接電流経路を形成し、第１押出部１２及び第２押出部１８の少なくとも幾分かを含む溶接ゾーン（溶接部分）３０を形成する工程を含む。第１の方法の一つの可能な態様では、工程ｈ）は、更に、第１電極２２及び第２電極２６を相対的に移動し、第１押出部１２を、第２押出部１８に対し、変形を生じるように相対的に移動する工程を含む。

「通穴を持つ押出部」は、隣接した表面から何らかの手段によって盛り上げられた、通穴を取り囲む部材の一部である。押出部としては、盛り上げられた部分が、その盛り上げられていない状態から垂直な位置の手前まで盛り上げられた部分押出部と、盛り上げられた部分が、その盛り上げられていない状態からほぼ９０°に等しい角度に盛り上げられた完全押出部とが挙げられるが、これらに限定されない。

第１の方法の変形例では、工程ａ）の代わりに、第１部材１０を得てこの第１部材１０に第１押出部１２を形成する工程を使用し、工程ｂ）の代わりに、第２部材１６を得てこの第２部材１６に第２押出部１８を形成する工程を使用する。

第１の方法の一つの構造では、第２電極２６は二つの電極半部を備えている。明瞭化を図るため、図１及び図２では、第１電極２２及び第２電極２６に対する支持体は省略してある。一つの構造（図示せず）では、当業者には理解されるように、摺動機構が第２電極２６を支持する。この他の方法は、当業者には明らかであろう。

図１及び図２を再び参照すると、本発明の第２の方法は、二つの部材（これらの部材のうちの一方がチューブである）を互いに溶接するための方法であり、工程ａ）乃至ｈ）を含む。工程ａ）は、第１通穴１４を持つ第１押出部１２を備えた側壁３４を含むチューブ（管又は管状体など）３２を得る工程を含む。工程ｂ）は、第２通穴２０を持つ第２押出部１８を備えた部材３６を得る工程を含む。工程ｃ）は、第１電極部分２４を持つ第１電極２２を得る工程を含む。工程ｄ）は、第２電極部分２８を持つ第２電極２６を得る工程を含む。工程ｅ）は、第２押出部１８を第１押出部１２に当接させて第２押出部１８が第１通穴１４と入れ子状に重なるように（並設状態で重なるように）、部材３６をチューブ３２の外側から配置する工程を含む。工程ｆ）は、第１電極部分２４を第２押出部１８の内側に当接させて第１電極部分２４が第２通穴２０と入れ子状に重なるように（並設状態で重なるように）、第１電極２２をチューブ３２の外側から配置する工程を含む。工程ｇ）は、第２電極部分２８がチューブ３２の内側から第１押出部１２の外側と接触するように第２電極２６を配置する工程を含む。工程ｈ）は、第１電極２２と、第２押出部１８と、第１押出部１２と、第２電極２６とを通る溶接電流経路を形成し、第１押出部１２及び第２押出部１８の少なくとも幾分かを含む溶接ゾーン３０を形成する工程を含む。第２の方法の一つの可能な態様では、工程ｈ）は、更に、第１電極２２及び第２電極２６を相対的に移動し、第１押出部１２を、第２押出部１８に対し、変形を生じるように相対的に移動する工程を含む。

第２の方法の変形例では、工程ａ）の代わりに、第１部材１０を得てこの第１部材１０に第１押出部１２を形成する工程を使用し、工程ｂ）の代わりに、第２部材１６を得てこの第２部材１６に第２押出部１８を形成する工程を使用する。

第２の方法の一つの構造では、チューブは実質的に矩形のチューブである。同じ又は異なる構造では、部材３６は、プレート４０と、このプレートから実質的に垂直方向に延びる第２押出部１８とを備えたブラケット３８である。同じ又は異なる構造では、チューブ３２は中心線４２を有し、第１押出部１２及び第２押出部１８は中心線４２に対して垂直方向に実質的に同軸に整合している。

第２の方法の一つの用途では、部材３６は、ブラケット３８、ガセット、ハンガー、熱シールド、及び衝撃シールドからなる群から選択される。この他の種類の部材３６は、当業者には明らかであろう。

第２の方法の一つの使用では、工程ｆ）において、第１電極部分２４は、第２押出部１８の内径と全周に亘って接触した状態で配置される。一つの変形例では、工程ｇ）において、第２電極部分２８は、第１押出部の外径と全周に亘って接触した状態で配置される。一つの変形例では、溶接ゾーン３０は、環状溶接ゾーンである。

第２の方法の一つの使用では、工程ｈ）は、溶加材（フィラー）を使用せずに行われる。第２の方法の一つの変形例では、チューブ３２及び部材３６は、異種（又は同種）の材料で形成されており、工程ｈ）で第１押出部１２及び第２押出部１８の少なくとも幾分かをなかば融解した状態（半融着状態）まで加熱する（固体溶接部を形成する）。別の変形例では、チューブ３２及び部材３６は、同種の材料で形成されており、工程ｈ）は、第１押出部１２及び第２押出部１８の少なくとも幾分かを融着状態まで加熱する。

図３及び図４を参照すると、本発明の第３の方法は、溶接を行うための方法であり、工程ａ）乃至工程ｄ）を含む。工程ａ）は、第１端部形態４６を備えた第１チューブ４４を得る工程を含む。工程ｂ）は、第１部分５０及び第２部分５２を備えた部材４８を得る工程を含む。工程ｃ）は、第１端部形態４６が第１部分５０と接触しており且つ第１端部形態４６と第２部分５２との間に第１凹所５４を残すように、第１チューブ４４及び部材４８を配置する工程を含む。工程ｄ）は、第１端部形態４６及び部材４８を通る溶接電流経路を形成し、第１端部形態４６を、部材４８に対し、変形を生じるように相対的に移動して、第１凹所５４をなくし、第１端部形態４６の少なくとも幾分か及び部材４８の少なくとも幾分かを含む溶接ゾーン５６を形成する工程を含む。

第３の方法の変形例では、工程ａ）の代わりに、第１チューブ４４を得てこの第１チューブ４４に第１端部形態４６を形成する工程を使用する。チューブの端部形態は、チューブの端部分であり、該チューブの端部分は、該端部分前のチューブの形状と異なる断面形状（チューブの中心線に対して垂直方向に整合した切断平面での断面形状）を有している。

第３の方法の一つの使用では、変形により第１凹所５４をなくすことにより、第１端部形態４６及び部材４８の変形接触部分の原子を緊密に接触させ、固体溶接を改良する。

第３の方法の一つの可能な態様では、部材４８は、第１端部形態と接触するための第２端部形態を持つ第２チューブ、第１端部形態の一部を受け入れるための通穴を備えた側壁を持つ第２チューブ、プレート、及び環状でスクロール状の縁部を持つ端キャップからなる群から選択され、第１端部形態４６は、横方向外方にフランジ状になった第１端部形態、及び横方向外方で折り畳まれた第１端部形態からなる群から選択される。

図３及び図４を再び参照すると、本発明の第４の方法は、溶接するための方法であり、工程ａ）乃至ｄ）を含む。工程ａ）は、外方に巻き返した形状を持つ第１端部形態４６を含む第１チューブ４４を得る工程を含む。工程ｂ）は、第１部分５０及び第２部分５２を備えた部材４８を得る工程を含む。工程ｃ）は、第１端部形態４６が第１部分５０と接触しており且つ第１端部形態４６と第２部分５２との間に第１凹所５４を残すように、第１チューブ４４及び部材４８を配置する工程を含む。工程ｄ）は、外方に巻き返した第１端部形態４６及び部材４８を通る溶接電流経路を形成する工程、及び第１端部形態４６を部材４８に対して変形を生じるように相対的に移動して、第１凹所５４をなくし、第１端部形態４６の少なくとも幾分か及び部材４８の少なくとも幾分かを含む溶接ゾーン５６を形成する工程を含む。

第４の方法の変形例では、工程ａ）の代わりに、第１チューブ４４を得る工程、及び外方に巻き返した形状を持つ第１端部形態４６を第１チューブ４４に形成する工程を使用する。

第４の方法の一つの可能な態様では、部材４８は、第１端部形態と接触するための第２端部形態を持つ第２チューブ、第１端部形態の一部を受け入れるための通穴を持つ側壁を備えた第２チューブ、プレート、及び環状でスクロール状の縁部を持つ端キャップからなる群から選択される。

第４の方法の一つの使用では、部材４８は、第２端部形態６０を持つ第２チューブ５８であり、第１部分５０及び第２部分５２は、第２端部形態６０の第１部分及び第２部分である。一つの変形例では、工程ｄ）は、第１端部形態４６及び第２端部形態６０を通る溶接電流経路を形成し、第１端部形態４６を第２端部形態６０に対して変形を生じるように相対的に移動して、第１凹所５４をなくし、第１端部形態４６の少なくとも幾分か及び第２端部形態６０の少なくとも幾分かを含む溶接ゾーン５６を形成する。一つの変形例では、工程ｄ）は、第１端部形態４６及び第２端部形態６０を半融着状態まで加熱し、変形により第１凹所５４をなくすことにより、第１端部形態４６及び第２端部形態６０の変形接触部分の原子を緊密に接触させ、固体溶接を改良する。一つの使用では、第１電極６２及び第２電極６４を図示のように配置する工程が含まれる。この場合、工程ｄ）は、第１電極６２を第２電極６４に向かって相対的に移動する工程を含む。

第３及び／又は第４の方法を実施する上で使用できる第１チューブ及び部材のこの他の実施例を図５乃至図１０に示すが、こうした実施例は、図示の態様に限定されない。図５の実施例では、二つの電極６６及び６８、外方に巻き返した端部形態７２を持つ第１チューブ７０、及び横方向外方にフランジ状になった端部形態７６を持つチューブ状部材７４が示してある。図６の実施例では、二つの電極７８及び８０、横方向外方で折り畳まれた端部形態８４を持つ第１チューブ８２、及び通穴８８を持つ第２チューブ８６が示してある。図７の実施例では、二つの電極９０及び９２、外方に巻き返した端部形態９６を持つ第１チューブ９４、及び端キャッププレート９８が示してある。図８の実施例では、二つの電極１００及び１０２、内方に折り返した環状縁部１０６を持つ端キャップ１０４、及び横方向外方にフランジ状になった端部形態１１０を持つ第１チューブ１０８が示してある。図９の実施例では、二つの電極１１２及び１１４、内方に折り返した環状縁部１１８を持つ端キャップ１１６、及び横方向外方で折り畳まれた端部形態１２２を持つ第１チューブ１２０が示してある。図１０の実施例では、二つの電極１２４及び１２６、横方向外方にフランジ状になった端部形態１３０を持つ第１チューブ１２８、及び内方に折り返してあり且つ端部形態１３０を取り囲む縁部１３４を持つ端キャップ１３２が示してある。

本発明の１つ又はそれ以上の方法から、幾つかの利益及び利点が得られる。電流を使用する溶接は、ガス−金属アーク溶接や摩擦溶接よりも費用がかからない。更に、電流を使用する溶接は、溶接間のサイクル時間がガス−金属アーク溶接や摩擦溶接よりも短い。変形溶接により、脆性の電子化合物を形成することなく、異種材料の固体溶接が可能になる。

本発明の幾つかの方法の以上の説明は、例示の目的でなされたものである。網羅的であろうとするものでもなく、本発明を、開示の正確な手順又は正確な形態に限定しようとするものでもなく、以上の教示に照らして多くの変形及び変更を行うことができるということは明らかである。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定義される。

図１は、溶接を行うために位置決めする前の、チューブ及びブラケットの概略側断面図である。 図２は、ブラケットがチューブに溶接される、チューブ、ブラケット、及び二つの電極が溶接のために位置決めされた、図１のチューブ及びブラケットと二つの電極との概略側断面図である。 図３は、外方に巻き返した端部形態を各々備えた二つのチューブ及びこれらの二つのチューブを互いに溶接するために位置決めされた二つの溶接電極の概略側断面図である。 図４は、図３と同様であるが、二つのチューブを互いに溶接し、二つの溶接電極を取り外した後の概略側断面図である。 図５は、一方のチューブが外方に巻き返した端部形態を持ち、他方のチューブが横方向外方にフランジ状になった端部形態を持つ二つのチューブと、これらの二つのチューブを互いに溶接する位置に置かれた二つの溶接電極の破断図である。 図６は、二つの溶接電極、通穴を持つ側壁を備えた第１チューブ、及びこの第１チューブに溶接するために通穴に部分的に挿入されるように位置決めされた横方向外方に折り畳まれた端部形態を持つ第２チューブの破断図である。 図７は、二つの溶接電極、外方に巻き返した端部形態を持つチューブ、及び前記端部形態に溶接されるように位置決めされた端キャッププレートの破断図である。 図８は、図７と同様であるが、チューブが横方向外方にフランジ状になった端部形態を持ち、端キャッププレートの代わりに、内方に折り返した環状縁部を持つ端キャップが、端部形態の頂部に溶接されるように位置決めされた破断図である。 図９は、図８と同様であるが、横方向外方にフランジ状になった端部形態の代わりに、横方向外方に折り畳まれた端部形態を備えた破断図である。 図１０は、図８と同様であるが、端キャップの縁部が、横方向外方にフランジ状になった端部形態の周囲に折り畳んである破断図である。

符号の説明

１０ 第１部材
１２ 第１押出部
１４ 第１通穴
１６ 第２部材
１８ 第２押出部
２０ 第２通穴
２２ 第１電極
２４ 第１電極部分
２６ 第２電極
２８ 第２電極部分
３０ 溶接ゾーン
３２ チューブ
３４ 側壁
３６ 部材

Claims (4)

1. 溶接方法において、
   ａ）外方に巻き返した形状を持つ第１端部形態（４６）を含む第１チューブ（４４）を得る工程と、
   ｂ）第１部分（５０）及び第２部分（５２）を備えた部材（４８）を得る工程と、
   ｃ）前記第１端部形態（４６）が前記第１部分（５０）と接触し、この際、前記第１端部形態（４６）と前記第２部分（５２）との間に第１凹所（５４）を残すように、前記第１チューブ（４４）及び前記部材（４８）を配置する工程とを備え、
   前記第１端部形態（４６）は、前記第１部分（５０）及び前記第２部分（５２）とは反対方向に外方に巻き返されており、
   前記溶接方法は、また、
   ｄ）前記第１端部形態（４６）及び前記部材（４８）を通る溶接電流経路を形成する工程、及び前記第１端部形態（４６）を前記部材（４８）に対して変形を生じるように相対的に移動して、前記第１凹所（５４）をなくし、前記第１端部形態の少なくとも幾分か及び前記部材の少なくとも幾分かを含む溶接ゾーン（５６）を形成する工程を含む、方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記部材（４８）は、前記第１端部形態（４６）と接触するための第２端部形態（６０）を持つ第２チューブ（５８）、前記第１端部形態の一部を受け入れるための通穴を持つ側壁を備えた第２チューブ、プレート、及び環状でスクロール状の縁部を持つ端キャップからなる群から選択される、方法。
3. 請求項２に記載の方法において、
   前記部材（４８）は、前記第２端部形態（６０）を持つ第２チューブ（５８）であり、前記第１部分及び前記第２部分は、第２端部形態（６０）の第１部分及び第２部分である、方法。
4. 請求項３に記載の方法において、
   工程ｄ）は、前記第１端部形態及び前記第２端部形態を通る溶接電流経路を形成し、前記第１端部形態を前記第２端部形態に対して変形を生じるように相対的に移動して、前記第１凹所をなくして前記溶接ゾーンを形成し、該溶接ゾーンは、前記第１端部形態の少なくとも幾分か及び前記第２端部形態の少なくとも幾分かを含んでいる、方法。

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