(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム又はアルミニウム合金板の一方の面に制振樹脂材が貼付され他方の面が溶接されるように使用される制振形材において、前記制振樹脂材は、第１の方向に延びる複数本の第１の線列と、この第１の方向に交叉する第２の方向に延びる複数本の第２の線列とが交叉する位置に、ガス抜き用の穴を有し、前記アルミニウム又はアルミニウム合金板の板厚をｔ（ｍｍ）とし、前記穴の円相当径をＤ（ｍｍ）とし、第１の線列に配置された穴のピッチをＰ（ｍｍ）とし、第１の線列間の間隔をＱ（ｍｍ）としたとき、穴の円相当径Ｄが１ｔ乃至４ｔ（ｍｍ）、ピッチＰが２Ｄ乃至３Ｄ（ｍｍ）、間隔Ｑが０．５Ｐ乃至１Ｐ（ｍｍ）であり、前記穴の総面積は前記制振樹脂材の面積の２０％以下であることを特徴とする制振形材。
【請求項２】
ウェブ及びフランジ部を有するアルミニウム又はアルミニウム合金材の前記ウェブ及びフランジ部のいずれか一方又は両方の一方の面に制振樹脂材が貼付され他方の面が溶接されるように使用される制振形材において、前記制振樹脂材は、第１の方向に延びる複数本の第１の線列と、この第１の方向に交叉する第２の方向に延びる複数本の第２の線列とが交叉する位置に、ガス抜き用の穴を有し、前記アルミニウム又はアルミニウム合金材の制振樹脂材が貼付された部分の肉厚をｔ（ｍｍ）とし、前記穴の円相当径をＤ（ｍｍ）とし、第１の線列に配置された穴のピッチをＰ（ｍｍ）とし、第１の線列間の間隔をＱ（ｍｍ）としたとき、穴の円相当径Ｄが１ｔ乃至４ｔ（ｍｍ）、ピッチＰが２Ｄ乃至３Ｄ（ｍｍ）、間隔Ｑが０．５Ｐ乃至１Ｐ（ｍｍ）であり、前記穴の総面積は前記制振樹脂材の面積の２０％以下であることを特徴とする制振形材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鉄道車両等に使用される制振形材に関し、特に、溶接性を向上させることができる制振形材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、鉄道分野において、高速化に対する要求がより一層高まっており、試験車両の製作及び試運転等が開始されている。このような走行速度の高速化に対する要求を満足するために、車両構体（台枠及び骨組外板等）を軽量にするための開発が進められているが、これと同時に、高速化に伴う騒音を防止するための静音化も要求される。従って、軽量であるアルミニウム又はアルミニウム合金材が車両用材料として注目されており、特に、金属−樹脂系制振材を中空薄肉形材面に貼付した制振断熱形材を車両構体に使用することにより、静音化を図ることができる。以下、アルミニウム又はアルミニウム合金を総称して、単にアルミニウムという。
【０００３】
ところで、一般的に、アルミニウム製車両等の大型溶接構造物に使用されるアルミニウム材の厚さは、厚板から中板まで広範囲に及んでいる。そして更に、車両構体の軽量化を図るために、外板等に使用されるアルミニウム材は、その肉厚が１．５乃至２ｍｍ程度に薄肉化されている。これらの板材の溶接方法としては種々の方法があるが、例えば、アーク溶接と、抵抗スポット溶接法とが併用されている。また、このアーク溶接方法としては、ＴＩＧ溶接法及びＭＩＧ溶接法があるが、溶接部に対する要求特性及び生産性を考慮して、ＭＩＧ溶接法が多く使用されている。
【０００４】
通常、肉厚が２ｍｍ未満の薄板のアルミニウム材をＭＩＧ溶接する場合、中板乃至厚板材と比較して、溶接ビード形成に及ぼす因子の影響が大きい。従って、種々の溶接条件を調整することにより、薄板のアルミニウム材の溶接におけるビード形状の向上を図っている。即ち、できるだけ溶接姿勢を下向とし、銅製の裏当材等を使用すると共に、仮付又は拘束ジグを利用してルートギャップを０（密着）、目違を０とする等、開先精度を高精度に管理し、更に、例えば、線径が１乃至１．２ｍｍである細径ワイヤを使用して溶接している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アルミニウム材を鉄材と比較した場合、両者の融点、熱伝導率及び線膨張係数等の物理的性質が相違しているため、アルミニウム材の方が低融点であるにも拘わらず、その溶接は溶融に対して短時間で大熱量（電流）を必要とする。また、アルミニウム材の溶接においては、溶接変形又は溶接割れが発生しやすいという問題点がある。
【０００６】
また、前述の如く、アルミニウム薄板の溶接条件を変化させることにより、ビード形状を向上させることはできるが、薄板の溶接時においては、中板乃至厚板と比較して、適正な溶接条件範囲が狭くなる。従って、溶接条件が変動すること等により、過小入熱に伴う溶込み不良の発生、及び過大入熱に伴うアーク貫通による溶接の中断等の溶接欠陥が発生しやすくなるため、薄板の溶接は中板乃至厚板の溶接と比較して極めて困難となる。
【０００７】
更に、アルミニウム材を使用した車両等の高速化に伴う騒音を防止するために、溶接部の裏面（例えば、形材の内面）には制振断熱材料を貼付するが、これにより、溶接性がより一層困難になっている。例えば、制振断熱材料は水酸化物を含有しており、この水酸化物はアーク等の高温に晒されると熱分解して水素を発生する。アルミニウム材の水素溶解量と固溶量との差は、他の金属と比較すると極めて大きいので、制振断熱材料を貼付していないアルミニウム材の溶接時であっても、シールド性等を十分に考慮しない場合には、これに起因するブローホール欠陥が発生する。従って、制振断熱材料を貼付したアルミニウム材の場合には、溶込みが断熱材料にまで貫通すると、巨大なブローホールが多発する。
【０００８】
このように、制振断熱材料を貼付したアルミニウム材のアーク溶接においては、溶接入熱が過大となり、板厚以上の深さで溶融させる条件では、裏面の樹脂が溶接に悪影響を及ぼし、溶接ビード形状が悪化する。従って、溶接施工条件としては、必然的に溶接入熱を抑えた条件を選定する必要があるが、これにより、溶接入熱不足による溶込み不良が発生しやすくなり、良好な溶接部を得ることができなくなる。そして、この現象は板厚が薄くなるほど顕著である。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、アルミニウム材に制振断熱材料が貼付された制振形材において、制振性が著しく低下することがなく、その溶接時において、溶接性に悪影響を与えず、良好な溶込みを得ることができると共に、過大な溶接入熱によるビード形状の劣化を防止することができ、良好な溶接作業性を得ることができる制振形材を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る制振形材は、アルミニウム又はアルミニウム合金板の一方の面に制振樹脂材が貼付され他方の面が溶接されるように使用される制振形材において、前記制振樹脂材は、第１の方向に延びる複数本の第１の線列と、この第１の方向に交叉する第２の方向に延びる複数本の第２の線列とが交叉する位置に、ガス抜き用の穴を有し、前記アルミニウム又はアルミニウム合金板の板厚をｔ（ｍｍ）とし、前記穴の円相当径をＤ（ｍｍ）とし、第１の線列に配置された穴のピッチをＰ（ｍｍ）とし、第１の線列間の間隔をＱ（ｍｍ）としたとき、穴の円相当径Ｄが１ｔ乃至４ｔ（ｍｍ）、ピッチＰが２Ｄ乃至３Ｄ（ｍｍ）、間隔Ｑが０．５Ｐ乃至１Ｐ（ｍｍ）であり、前記穴の総面積は前記制振樹脂材の面積の２０％以下であることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る他の制振形材は、ウェブ及びフランジ部を有するアルミニウム又はアルミニウム合金材の前記ウェブ及びフランジ部のいずれか一方又は両方の一方の面に制振樹脂材が貼付され他方の面が溶接されるように使用される制振形材において、前記制振樹脂材は、第１の方向に延びる複数本の第１の線列と、この第１の方向に交叉する第２の方向に延びる複数本の第２の線列とが交叉する位置に、ガス抜き用の穴を有し、前記アルミニウム又はアルミニウム合金材の制振樹脂材が貼付された部分の肉厚をｔ（ｍｍ）とし、前記穴の円相当径をＤ（ｍｍ）とし、第１の線列に配置された穴のピッチをＰ（ｍｍ）とし、第１の線列間の間隔をＱ（ｍｍ）としたとき、穴の円相当径Ｄが１ｔ乃至４ｔ（ｍｍ）、ピッチＰが２Ｄ乃至３Ｄ（ｍｍ）、間隔Ｑが０．５Ｐ乃至１Ｐ（ｍｍ）であり、前記穴の総面積は前記制振樹脂材の面積の２０％以下であることを特徴とする。
【００１４】
なお、前記円相当径Ｄとは、前記穴が円形状をなす場合はその直径をいい、その他の場合は、穴の断面積をＳとしたときに、２（Ｓ／π）０．５をいう。即ち、穴の形状が円ではない場合は、穴の断面積が同一である円形状穴の直径を円相当径という。
【００１５】
本発明においては、アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる板材又は部材の一方の面に制振樹脂材を貼付しているので、制振形材の制振性を高めることができる。また、この制振形材の溶接時においては、アーク熱等により制振樹脂材から水素ガスが発生するが、本発明においては、制振樹脂材にはガス抜き用の穴が形成されているので、発生したガスが溶融金属内に滞留することなく、穴を介して外部に放出される。従って、良好な形状の溶接ビードを形成することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本願発明者等は車両の走行速度を高速にするための車両の軽量化と、高速化に伴って発生する騒音を低減し、板厚が薄い制振形材の溶接方法の欠点を解決する方法とを開発すべく種々研究を行った。その結果、アルミニウム材に貼付する制振材料に複数個の穴を形成することにより、過大入熱に伴うビード形状の劣化を防止することができ、優れた溶接作業性及び良好な溶込みを得ることができることを見い出した。
【００１７】
制振形材の溶接時においては、溶接熱サイクルによって被溶接部が約１５０℃以上に上昇するので、アルミニウム材に貼付された制振樹脂材がアルミニウム材から剥離し、アルミニウム材と制振樹脂材との間にトンネル状の空隙部が形成される。本発明においては、アルミニウム材に貼付されている制振樹脂材が複数個の穴を有するので、この空隙部は密封状態ではなく、制振樹脂材に形成された穴を介して外部と導通される。従って、大入熱により板厚以上の深さでアルミニウム材を溶融させた場合、この溶融金属が制振断熱材料（制振樹脂材）に到達することにより、制振樹脂材が熱分解して水素ガスを発生しても、この水素ガスはトンネル状の間隙部から穴を介して外部（空中）に放出される。その結果、水素ガスがトンネル状の間隙部に滞留して溶融金属内に吸収されることを防止することができるので、アークに悪影響を及ぼすことなく良好な溶接ビードを形成することができる。
【００１８】
図１は本発明の実施例に係る制振形材を示す模式図である。図１に示すように、本実施例においては、例えば、アルミニウム板２の片面に制振樹脂材３を貼付することによって、制振形材１が形成されている。この制振樹脂材３には、その面内において、第１の方向に延びる第１の線列４と、この第１の方向に交叉する第２の方向に延びる第２の線列５との交差する位置に、複数個の穴３ａが設けられている。
【００１９】
前述の如く、この穴３ａは溶接時において優れた効果を有する。制振形材１を溶接する場合、例えば、制振樹脂材３が貼付された面と反対側の面、即ち、アルミニウム板２側の面から溶接することにより、極めて優れた効果を得ることができる。
【００２０】
また、本発明においては、制振樹脂材３に形成される穴３ａの円相当径Ｄ、第１の線列４に配置された穴３ａのピッチＰ、第１の線列４間の間隔Ｑ及び制振樹脂材３の面積に対する穴３ａの総面積について規定すると、安定して良好な溶接性を得ることができる。以下、これらの限定理由について説明する。なお、制振樹脂材がアルミニウム板に貼付されている場合、その板厚をｔ（ｍｍ）とし、制振樹脂材がアルミニウム材のウェブ又はフランジ部に貼付されている場合は、その貼付された部分の肉厚をｔ（ｍｍ）とする。
【００２１】
穴の円相当径Ｄ：１ｔ乃至４ｔ（ｍｍ）
制振樹脂材に形成される穴の円相当径が１ｔ（ｍｍ）未満であると、アルミニウム材の板厚に対して溶接入熱が過大になった場合に、溶接時の温度上昇によって制振樹脂材が軟化変形し、穴が塞がれてしまうことがある。そうすると、制振樹脂材の熱分解により発生した水素ガスは穴を介してではなく、溶融金属を介して外部に放出されるので、溶接が阻害されてビード形状が劣化する。一方、穴の円相当径が４ｔ（ｍｍ）を超えると、水素ガスはこの穴を介して外部に放出されるが、溶接入熱が過大になった場合に、アーク力及び凝固速度等の変化により、溶融金属の凝固過程において多量の溶融金属が穴に流入する。その結果、溶接裏面側のビード形状は凸状になる一方、溶接面側（表面側）では溶融金属が不足して、蒲鉾状の良好なビード形状を得ることができない。従って、制振樹脂材に形成される穴の円相当径Ｄは１ｔ乃至４ｔ（ｍｍ）とすることが好ましい。なお、本発明において、穴の形状は正円形状に限定されず、例えば、楕円、矩形及び多角形等の形状でもよく、その場合の穴の径とは、穴と同一面積に相当する円の直径を示す。
【００２２】
第１の線列に配置された穴のピッチＰ：２Ｄ乃至３Ｄ（ｍｍ）
制振形材の溶接時において、溶接熱サイクルにより被溶接部の温度が約１５０乃至２００℃以上になる領域は、溶接中心部から２０乃至３０ｍｍ以内の領域となる。制振樹脂材は接着剤等を使用した熱融着によりアルミニウム材に貼付されているが、溶接中心部から２０乃至３０ｍｍを超える領域においては、溶接時に溶接熱によって制振樹脂材がアルミニウム材から部分的に剥離することはない。従って、溶接中心部から離間した位置においては、穴のピッチ、列間の間隔が規定されなくても制振性に影響を与えるものではない。しかし、溶接中心部から２０乃至３０ｍｍ以内の領域で、穴の各行間のピッチ、各列間の間隔及び面積率が規定されていないと、過大入熱の溶接条件下において、アーク極近傍の制振樹脂材から発生した水素ガスが穴を介して外部に放出されることが阻害される。従って、本発明において規定する穴のピッチ等は、本来、溶接中心部から２０乃至３０ｍｍ以内の領域に関するものである。
【００２３】
しかしながら、構造物の溶接部位において、溶接前に予め穴の位置を設定することは、構造物の種類を考慮すると極めて困難である。また、穴の位置等が溶接前に設定されていると、溶接部位の変更又は溶接による補強部品の追加等があった場合に、その変化に対応することができなくなる。更に、各溶接部位に対応させて、種々の位置に穴が形成された部品を準備すると、製造コストが上昇してしまう。従って、本発明においては、溶接性を向上させることができると共に、制振性を低下させないようなピッチ及び間隔で、制振樹脂材に穴を形成することが好ましい。
【００２４】
穴のピッチＰが２Ｄ（ｍｍ）未満であると連続穴となってしまい、制振性が阻害されて、制振形材としての性能が低下する。一方、穴のピッチＰが３Ｄを超えると、穴を介して水素ガスを外部に放出させることが困難になり、溶接性が阻害されてしまう。従って、穴のピッチＰは２Ｄ乃至３Ｄ（ｍｍ）とすることが好ましい。なお、穴のピッチＰとは、第１の線列上に隣接する穴において、穴の中央間の距離をいう。
【００２５】
第１の線列間の間隔Ｑ：０．５Ｐ乃至１Ｐ（ｍｍ）
穴が形成された第１の線列間の間隔Ｑが０．５Ｐ（ｍｍ）未満であると、制振性が阻害されて、制振形材としての性能が低下する。一方、第１の線列間の間隔Ｑが１Ｐ（ｍｍ）を超えると、大きな溶接ビード幅を有する大入熱の溶接条件以外では、その列間、即ち、穴が形成されていない領域が溶接線になる確率が高くなる。これにより、溶接性が阻害される確率が高くなる。従って、第１の線列間の間隔Ｑは０．５Ｐ乃至１Ｐ（ｍｍ）とすることが好ましい。なお、第１の線列間の間隔Ｑとは、隣接する第１の線列間の距離をいう。
【００２６】
穴の総面積：制振樹脂材の面積の２０％以下
穴の総面積が制振樹脂材の面積の２０％を超えると、制振性が阻害され、制振形材としての性能が低下する。従って、制振樹脂材に形成される穴の総面積は、制振樹脂材の面積の２０％以下とすることが好ましい。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明に係る制振形材の実施例についてその比較例と比較して具体的に説明する。
【００２８】
先ず、アルミニウム合金板（Ａ５０５２Ｐ−Ｈ３４、板厚１．５ｍｍ、板幅２５０ｍｍ、長さ３００ｍｍ）を準備し、その一方の面に、種々の径を有する穴を種々の行間ピッチ及び列間間隔で形成された制振断熱材料（制振樹脂材）を貼付することにより、制振形材を作製した。次に、この制振樹脂材が貼付された面を下方に向けて制振形材を配置し、この上にアルミニウム合金板（Ａ５０５２−Ｈ３４、板厚３ｍｍ、板幅５０ｍｍ、長さ３００ｍｍ）を重ねて、上方から重ね隅肉溶接することにより両者を接合した。なお、溶加材としては、直径が１．２ｍｍであるＡ５３５６ＷＹを使用した。また、溶接は逆極性アークと正極性アークとを交互に供給する交流パルスＭＩＧ法を使用し、溶接電流を１４０Ａ、溶接電圧を２２Ｖ、溶接速度を２（ｍ／分）とし、正極性比率を１０％とした。そして、種々の制振形材について、溶接性及び制振性を評価した。これらの制振形材に貼付された制振樹脂材の穴の形成状態を下記表１に示し、溶接性及び制振性の評価結果を下記表２に示す。
【００２９】
但し、下記表１において、溶接性はビード形状、断面マクロ及び溶接作業性等により評価し、その評価基準としては、溶接性が良好であるものを○、溶接は可能であるがビード形状がアンダカット状であるものを△とし、溶接が不可能であったものを×とした。また、制振性は減衰特性等により評価し、その評価基準としては、良好であるものを○、若干制振性が低下するが実用上問題がないものを△とし、制振性が著しく低下したものを×とした。更に、総合評価については、溶接性及び制振性を考慮して総合的に判断し、溶接性が良好であり、制振性の低下も実用上の問題がないものを○とし、溶接性に問題が発生すると共に、制振性が著しく低下し、制振形材としての特性を満足しないものを×とした。
【００３０】
【表１】
0003560426.tif 000002
【００３１】
【表２】
0003560426.tif 000003
【００３２】
上記表１及び２に示すように、実施例Ｎｏ．１乃至７は、穴の形成状態が本発明の範囲内であるので、溶接性が優れていると共に、実用上問題がない程度の制振性を有する制振樹脂材を得ることができた。
【００３３】
一方、比較例Ｎｏ．８は穴の円相当径が本発明範囲の下限未満であるので、溶接できなかった。比較例Ｎｏ．９は穴のピッチＰが本発明範囲の下限未満であると共に、穴の面積率が本発明範囲の上限を超えているので、ビード形状がアンダカット状になり、制振性が著しく低下した。比較例Ｎｏ．１０及び１２は穴の面積率が本発明範囲の上限を超えているので、溶接性は良好であったが制振性が著しく低下した。
【００３４】
また、比較例Ｎｏ．１１は第１の線列間の間隔Ｑが本発明範囲の下限未満であると共に、穴の面積率が本発明範囲の上限を超えているので、ビード形状がアンダカット状になると共に、制振性が著しく低下した。比較例Ｎｏ．１３及び１４は第１の線列間の間隔Ｑが本発明範囲の上限を超えているので、溶接できなかった。比較例Ｎｏ．１５は穴のピッチＰが本発明範囲の上限を超えているので、制振性は良好であったが溶接できなかった。比較例Ｎｏ．１６は穴の円相当径が本発明範囲の上限を超えているので、ビード形状がアンダカット状になった。比較例Ｎｏ．１７は制振樹脂材に穴を形成していないので、溶接できなかった。
【００３５】
このように、アルミニウム合金材にソリッド状の制振樹脂材を貼付した制振形材は、過大な溶接入熱によって完全溶込みとなって、制振樹脂材から発生するガス（主に水素ガス）によりアークが不安定となるので、良好な溶接ビードを形成することが不可能になる。一方、本実施例に示すように、制振樹脂材に穴を形成すると、過大な溶接入熱で溶接した場合においても、発生したガスが穴を介して大気中に放出されるので、アークが不安定になることによりビード形状が悪化することはなく、溶接が可能となる。その結果、溶接条件範囲が拡大し、溶接性が改善される。しかしながら、穴の円相当径、ピッチ及び第１の線列間の間隔等が所定の範囲を超えると、溶接性を改善する効果を得ることができなくなるか、又は制振性が著しく低下することがあった。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、アルミニウム材に貼付する制振樹脂材に穴を形成しているので、制振性が著しく低下することがなく、その溶接時において、溶接性に悪影響を与えず、良好な溶込みを得ることができると共に、過大な溶接入熱によるビード形状の劣化を防止することができ、良好な溶接作業性を得ることができる制振形材を得ることができる。また、この穴の円相当径、穴のピッチ、第１の線列間の間隔及び穴の総面積等を適切に規定すると、更に一層溶接性を向上させることができる。即ち、本発明は工業上有用で、顕著な効果を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る制振形材を示す平面図である。
【符号の説明】
１；制振形材
２；アルミニウム板
３；制振樹脂材
３ａ；穴
４；第１の線列
５；第２の線列
【図１】
0003560426.tif 000004