(57)【要約】【課題】セラミックス板をスタッド溶接ピンで固定する際に、部分的に大きな荷重がセラミックス板の受け座に作用しないように荷重を均一に分散させてセラミックス板の破損を抑制する。【解決手段】セラミックス板の受け座に座金を敷いて、スタッド溶接ピンから受け座に伝わる押し付け力を均一化させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス板を金属母材にスタッド溶接して取り付ける方法において、該セラミックス板の金属母材と向かい合う側の面に、受け座を有するＴ字型断面の凹溝を設け、該凹溝にフランジ付きスタッド溶接ピンを挿入し、該スタッド溶接ピンの該フランジと前記凹溝の底部間に金属板を挟み込んで、該金属板を通して前記スタッド溶接ピンに通電して、該スタッド溶接ピンを金属母材にスタッド溶接して、前記セラミックス板を金属母材に固定する方法において、前記スタッド溶接ピンの前記フランジを円形にするとともに、該スタッド溶接ピンの該フランジと前記受け座の間に、該受け座に当接する座金を挿入したことを特徴とするとするセラミックス板の取り付け方法。
【請求項２】
前記座金に弾性機能を持たせていることを特徴とする請求項１記載のセラミックス板の取り付け方法。
【請求項３】
セラミックス板の金属母材と向かい合う側の面に、受け座を有するＴ字型断面の凹溝を設け、該凹溝に円形のフランジを有するスタッド溶接ピンを挿入し、該フランジと前記受け座の間に、該受け座に当接する座金を挿入したことを特徴とする請求項１及び請求項２記載のセラミックス板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、スタッド溶接により金属母材などの表面に容易に取り付け可能なセラミックス板の構造及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】セラミックスは耐磨耗性を有するので板状やブロック状にして金属母材を被覆して、金属母材を磨耗から保護するために使用されている。セラミックスは耐磨耗以外にも耐熱性、耐腐食性、耐溶損性、美観性など使用目的が多岐に渡っていることから、セラミックス板を容易かつ安価に金属母材に被覆するため接着剤法やスタッド溶接法など各種の方法が提案されている。この中でスタッド溶接法は作業が簡単で安価にできしかも高温環境に対応できることから多く用いられている。スタッド溶接法においてはセラミックス板に貫通孔を設けて、セラミックス板の上方からスタッド溶接する方法と、セラミックス板に溝を設けて、側面からスタッド溶接する方法がある。セラミックス板に貫通孔を設ける方法では、スタッド溶接ピンの露出部が磨耗したり、セラミックス板の切り欠き部から欠損したり切り欠き部に付着物が堆積したりするなどの問題がある。一方セラミックス板の側面からスタッド溶接方法はセラミックス板の表面に切り欠きがないので前記問題を解消できる。しかしながらセラミックス板の受け座の強度、セラミックス板の厚み、セラミックス板を金属母材にスタッド溶接した後のがたの問題などがあり解決すべき課題となっている。セラミックス板を側面からスタッド溶接する方法としては例えば特許文献１と特許文献２による方法がある。【０００３】セラミックス板面に受け座を有するＴ字型断面の凹溝を設け、該凹溝にフランジ付きスタッド溶接ピンを挿入し、該スタッド溶接ピンと前記凹溝の底部間に金属板を挟みこんで、該金属板を通して前記スタッド溶接ピンに通電して、該スタッド溶接ピンを金属母材にスタッド溶接して、セラミックス板を金属母材に固定する方法が提案されている（特許文献１参照）。【０００４】セラミックス板を金属母材にスタッド溶接して取り付ける方法において、セラミックス板の金属母材と向かい合う側の面に、端面から適当な位置まで受け座を有するＴ字型断面の凹溝を設け、該凹溝にフランジ付きスタッド溶接ピンを挿入し、該スタッド溶接ピンの該フランジと前記凹溝の底部間に金属板を挟み込んで、該金属板を通して前記スタッド溶接ピンに通電して、該スタッド溶接ピンを金属母材にスタッド溶接して、セラミックス板を金属母材に固定する方法が提案されている（特許文献２参照）。【０００４】
【特許文献１】特開２００１−４７２４３号広報
【特許文献２】特開２００１−１７９４５４号広報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】特許文献１と特許文献２の方法において、（１）スタッド溶接ピンのフランジを丸形にすると、スタッド溶接ピンの加工性はよいが、セラミックス板の受け座にはスタッド溶接ピンの丸いフランジが当接している部分だけに荷重が掛かるので、受け座の付け根に部分的に大きな応力が発生し受け座が欠損しやすい、（２）そのために受け座の肉厚を厚くしなければならなくなり、結果としてセラミックス板を厚くしなければならない、（３）スタッド溶接ピンのフランジを方形にすると、受け座にフランジを略全面的に当接できるので、受け座の付け根に発生する応力を均等に分散でき受け座が欠損するのを抑制できるが、スタッド溶接ピンの加工性が悪くなりコスト高になる、（４）スタッド溶接時にセラミックス板と金属母材間に隙間ができるとセラミックス板ががたつく問題があった。【０００６】本発明が解決しようとする課題は、（１）スタッド溶接ピンのフランジ形状を丸形にして安価に製造できるようにする、（２）セラミックス板の受け座に掛かる荷重が受け座全体に均等に掛かるようにして受け座欠損を抑制する、（３）受け座の肉厚を薄くしてセラミックス板の肉厚を薄くする、（４）セラミックス板と金属母材に隙間が生じたときのセラミックス板のガタつきを防止することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】第１の解決手段は特許請求項１に示すように、セラミックス板を金属母材にスタッド溶接して取り付ける方法において、該セラミックス板の金属母材と向かい合う側の面に、受け座を有するＴ字型断面の凹溝を設け、該凹溝にフランジ付きスタッド溶接ピンを挿入し、該スタッド溶接ピンの該フランジと前記凹溝の底部間に金属板を挟み込んで、該金属板を通して前記スタッド溶接ピンに通電して、該スタッド溶接ピンを金属母材にスタッド溶接して、前記セラミックス板を金属母材に固定する方法において、前記スタッド溶接ピンの前記フランジを円形にするとともに、該スタッド溶接ピンの該フランジと前記受け座の間に、該受け座に当接する座金を挿入したセラミックス板の取り付け方法である。【０００８】第２の解決手段は特許請求項２に示すように、スタッド溶接ピンのフランジ面と凹溝の受け座の間に挿入する座金に弾性機能を設けているセラミックス板の取り付け方法である。【０００９】第３の解決手段は特許請求項３に示すように、セラミックス板の金属母材と向かい合う側の面に、受け座を有するＴ字型断面の凹溝を設け、該凹溝に円形のフランジを有するスタッド溶接ピンを挿入し、該フランジと前記受け座の間に該受け座に当接する座金を挿入したセラミックス板である。
【発明の効果】
【００１０】第１の解決手段による効果は、（１）スタッド溶接ピンのフランジ形状を丸形にしているのでスタッド溶接ピンを安価に製造できる、（２）ブロワーのランナーのような回転体にセラミックス板をスタッド溶接した場合に、セラミックス板の受け座に遠心力が作用しても座金によって受け座全体に略均等に分散されるので、受け座が部分的に欠損するのを抑制できる、（３）座金によって遠心力などの加重は受け座全体に分散されるので受け座の肉厚を薄くできセラミックス板の厚みを薄くできることである、（４）スタッド溶接ピンのフランジだけでなく座金も導電体として使用できるので通電性を向上させることができることである。【００１１】第２の解決手段による効果は、（１）座金に設けた弾性機能によってスプリング作用が生じるので、セラミックス板と金属母材に隙間が生じたとき場合にセラミックス板のガタつきを抑えることができる、（２）座金のバネ作用によりスタッド溶接ピンのフランジと金属板が互いに押し付けられことによりセラミックス板とスタッド溶接ピン及び金属板が一体化するのでハンドリングしやすくなる、（３）座金のバネ作用によりスタッド溶接ピンのフランジと金属板が密着するので通電性が向上しスタッド溶接の信頼性が向上する、（４）座金の弾性機能により薄い座金で受け座全体にスタッド溶接ピンの押し付け力を均等に伝達できる、（５）座金を薄くできるので凹溝の受け座と底部の間隔が狭くなりセラミックス板の厚みを薄くできるとともに強度を向上できることである。【００１２】第３の解決手段による効果は、（１）スタッド溶接前にセラミックス板にスタッド溶接ピンと座金を一体に組み込んでおくことにより、スタッド溶接時は通電用の金属板をセラミックス板に挿入するだけでよく、セラミックス板を金属母材にスタッド溶接する作業を効率的に行うことができる、（２）弾性機能を有する座金の作用により、セラミックス板にスタッド溶接ピンを安定的に固定できるので、セラミックス板をハンドリングする際にもスタッド溶接ピンがセラミックス板から脱落することはない、（３）スタッド溶接後は弾性機能を有する座金がセラミックス板をスタッド溶接ピンに安定的に固定するのでセラミックス板が振動などでがたつかないことである。従って、スタッド溶接ピンと座金を一体的に組み込んだセラミックス板は一体品としての機能を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】以下、本発明の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。図１はセラミックス板の部分断面図である。図２はセラミックス板の溝部長手方向の断面図である。図３はセラミックス板の溝部直角方向の断面図である。図４は座金の斜視図である。図５はそりを設けた座金の斜視図である。図６は金属板をフランジと座金に当接した場合の凹溝長手方向の断面図である。【００１４】第１の解決手段は、セラミックス板１０を金属母材５０にスタッド溶接して取り付ける方法において、該セラミックス板１０の金属母材５０と向かい合う側の面に、受け座１２を有するＴ字型断面の凹溝１１を設け、該凹溝１１にフランジ付きスタッド溶接ピン２０を挿入し、該スタッド溶接ピン２０の該フランジ２１と前記凹溝１１の底部１３間に金属板３０を挟み込んで、該金属板３０を通して前記スタッド溶接ピン２０に通電して、該スタッド溶接ピン２０を金属母材５０にスタッド溶接して、前記セラミックス板１０を金属母材５０に固定する方法において、前記スタッド溶接ピン２０の前記フランジ２１を円形にするとともに、該スタッド溶接ピン２０の該フランジ２１と前記受け座１２の間に、該受け座１２に当接する座金４０を挿入したセラミックス板１０の取り付け方法である。【００１５】セラミックス板１０の材質としてはアルミナ、窒化珪素、ジルコニア、炭化珪素などの各種セラミックス板が使用できる。耐熱性が必要な場合はマグカーボンレンガ、アルミナレンガ、シャモットレンガなどのレンガ材も使用できる。セラミックス板１０の厚みは５．０ｍｍ〜１００．０ｍｍがよい。５．０ｍｍより薄いと割れやすくなる。１００．０ｍｍより厚いとセラミックス板１０の重量が増し機械構造が大きくなり実機への応用が困難となる。望ましくは６．０ｍｍ〜３０．０ｍｍである。【００１６】スタッド溶接ピン２０は先端部に突起２２を有し、プレス加工や機械加工あるいはこれらを併用して製作することができる。スタッド溶接ピン２０の材質は通電可能な金属類であれば適用可能であり、構造用炭素鋼、ステンレス材、チタン材、銅、コバールなどが適している。スタッド溶接ピン２０のフランジ２１形状は機械加工性や歩留まりの点から円形にする。フランジ２１形状を方形にすると機械加工の手順が多くなるとともに材料の歩留まりが低下する。スタッド溶接ピン２０の胴部２３の径はセラミックス板１０の厚みや縦・横の寸法によって決まるが３．０〜１５．０ｍｍである。３．０ｍｍより細いと機械強度や通電性が低下する。１５．０ｍｍより太いとスタッド溶接性が低下する。フランジ２１の径は６．０〜３０ｍｍがよい。６．０ｍｍより小さいとセラミックス板１０を保持する強度が不足する。３０．０ｍｍより大きいと凹溝の幅が大きくなりセラミックス板１０の強度が低下する。フランジ２１の厚みは０．１〜５．０ｍｍがよい。０．１ｍｍより薄いと強度が不足する。５．０ｍｍより厚いと凹溝が大きくなりセラミックス板１０の強度が低下する。またセラミックス板１０の厚みが厚くなりコスト高となる。【００１７】座金４０の材質は炭素鋼、ステンレス、銅、銅合金、チタン、コバールなどが適している。金属製の座金４０の厚みは０．０１〜２．０ｍｍがよい。０．０１ｍｍより薄いと荷重を分散させる効果やスプリング効果が不十分である。２．０ｍｍより厚いとスプリング力が大きすぎて座金４０と受け座１２の密着性が低下して受け座に均等に荷重がかかりにくくなる。セラミックス板１０の使用環境が１００℃以下の場合は座金４０の材質はゴムや樹脂も使用可能である。座金１２には貫通孔４１を設けてスタッド溶接ピン２０を挿入する。座金４０の貫通孔４１はスタッド溶接ピン２０の胴部２３の径より０．１〜０．５ｍｍ程度大きくするのがよい。座金４０は受け座１２の略全面に当接することでスタッド溶接ピン２０による押し付け力を分散できるのでセラミックス板１０が破損しにくくなる。【００１８】金属板３０の材質は炭素鋼、チタン、コバール、銅、金、銀あるいはこれらの合金類が適している。金属板３０の幅はスタッド溶接ピン２０の直径と略同じ大きさがよい。スタッド溶接ピン２０の外径より大きいと凹溝１１の幅が広くなりセラミックス板１０の強度が低下する。スタッド溶接ピン２０の外径より小さいとスタッド溶接ピン２０に十分な電流が流れないのでスタッド溶接性が低下する。金属板３０の厚みは０．１〜２．０ｍｍが適している。０．１ｍｍより薄くなるとスタッド溶接ピン２０に十分な電流が流れないのでスタッド溶接性が低下する。２．０ｍｍより厚くなると凹溝１１が大きくなりセラミックス板１０の厚みが厚くなる。【００１９】セラミックス板１０の取り付け手順を説明する。（１）座金４０にスタッド溶接ピン２０を挿入する、（２）セラミックス板１０に座金４０とスタッド溶接ピン２０を挿入する、（３）セラミックス板１０に金属板３０を挿入しスタッド溶接ピン２０のフランジ２１と金属板３０を当接させる、（４）スタッド溶接ピン２０の突起２２を金属母材５０に押し当てる、（５）金属板３０に通電しスタッド溶接ピン２０を金属母材５０に溶着させる。通電条件はスタッド溶接ピン２０の胴部２３の径によって異なるが、電圧３０〜２４０Ｖ（１２０Ｖ前後が適している）、電流５００〜２００００Ａ（３０００Ａ前後が適している）である。通電時間は０．１〜１．０秒である。【００２０】図６のように金属板３０に段差を設けて、金属板３０がフランジ２１と座金４０の両方と当接するようにするとスタッド溶接時の通電性が向上しスタッド溶接の信頼性が向上する。金属板３０に段差を設ける方法は一枚の金属の板を加工する方法や、複数の金属の板を重ね合わせる方法などがある。【００２１】第２の解決手段は、スタッド溶接ピン２０のフランジ２１と凹溝１１の受け座１２の間に挿入する座金４０に弾性機能を設けているセラミックス板１０の取り付け方法である。座金４０に弾性機能を持たせる方法としては例えば図５のようにそりを持たせる方法がある。そりの大きさはスタッド溶接ピン２０の寸法によって決定されるが、０．１〜１．０ｍｍがよい。座金４０の弾性力としては、スタッド溶接するときにセラミックス板１０を金属母材５０に押し付ける力は３〜１０ｋｇｆ程度であり、セラミックス板１０を金属母材５０に押し付けたときに座金４０のそりが丁度０ｍｍになるのがよい。【００２２】第３の解決手段は、セラミックス板１０の金属母材５０と向かい合う側の面に、受け座１２を有するＴ字型断面の凹溝１１を設け、該凹溝１１に円形のフランジ２１を有するスタッド溶接ピン２０を挿入し、該フランジ２１と前記受け座１２の間に、該受け座１２に当接する座金４０を挿入したセラミックス板１０である。スタッド溶接ピン２０と弾性機能を有する座金４０を一体的に挿入したセラミックス板１０は、セラミックス板１０からスタッド溶接ピン２０が外れにくいのでハンドリングが容易である。スタッド溶接する際はセラミックス板１０に通電用の金属板３０を挿入すればよいのでスタッド溶接作業を効率よくできる。またスタッド溶接後はセラミックス板１０と金属母材５０間にガタが生じても座金４０の弾性機能でセラミックス板１０を金属母材５０に安定的に押し付けることができるのでセラミックス板１０のガタつきを抑える事ができる。
【実施例】
【００２３】（実施例１）セラミックス板の材質はアルミナで、寸法は縦３０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚み６．０ｍｍである。スタッド溶接ピンの材質はＳＵＳ３０４でスタッド溶接ピンの胴部の径は８．０ｍｍ、フランジの径は１２．０ｍｍ、フランジの厚みは０．５ｍｍである。座金の材質はＳＳ４００で寸法は縦２９．０ｍｍ×横１２．０ｍｍ×厚み０．１ｍｍである。金属板の材質は銅板で、厚み０．５ｍｍ×幅１２．０ｍｍである。通電条件は電圧１００Ｖ、電流３０００Ａ、通電時間は０．１秒である。以上の条件で金属母材にスタッド溶接して接合強度を試験したところ、１０回の接合テストの平均は４９３ｋｇｆであった。最小値は４０３ｋｇｆ、最大値は５５３ｋｇｆであった。この結果から、ブロワーのランナーやポンプのインペラーなどに適用できることが確認できた。【００２４】（実施例２）セラミックス板の材質はアルミナで、寸法は縦３０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚み６．０ｍｍである。スタッド溶接ピンの材質はＳＵＳ３０４でスタッド溶接ピンの胴部の径は８．０ｍｍ、フランジの径は１２．０ｍｍ、フランジの厚みは０．５ｍｍである。座金の材質はＳＳ４００で寸法は縦２９．０ｍｍ×横１２．０ｍｍ×厚み０．１ｍｍである。座金には０．１ｍｍのそりをつけた。金属板の材質は銅板で厚み０．５ｍｍ×幅１２．０ｍｍである。通電条件は電圧１００Ｖ、電流３０００Ａ、通電時間は０．１秒である。以上の条件で金属母材にスタッド溶接したところ、スタッド溶接後のセラミックス板のガタつきを防止できた。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】はセラミックス板の部分断面図である。
【図２】はセラミックス板の凹溝長手方向の断面図である。
【図３】はセラミックス板の溝部直角方向の断面図である。
【図４】は座金の斜視図である。
【図５】はそりを設けた座金の斜視図である。
【図６】は金属板をフランジと座金に当接した場合の凹溝長手方向の断面図である
【符号の説明】
【００２６】１０：セラミックス板、１１：凹溝、１２：受け座、１３：底部、２０：スタッド溶接ピン、２１：フランジ、２２：突起、２３：胴部、３０：金属板、４０：座金、４１：貫通孔、５０：金属母材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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