(57)【要約】【課題】  接続部に曲げやねじれなどの変形に伴う応力が付与されても、破断が生じるおそれのないチタン薄板の接続方法及びそれを用いて接続した接続部材を提供するものである。【解決手段】  本発明に係るチタン薄板の接続方法は、チタン薄板１１ａ，１１ｂの端部同士を突き合わせ接続するものであり、チタン薄板１１ａ，１１ｂの端部同士の突き合わせ部１２を覆うように、それらのチタン薄板１１ａ，１１ｂの両面に非チタン薄板１３ａ，１３ｂを重ねて積層部１５を形成し、その積層部１５に所定の間隔を設けてスポット溶接を行うものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン薄板の端部同士を突き合わせ接続する方法において、上記チタン薄板の端部同士の突き合わせ部を覆うように、それらのチタン薄板の両面に非チタン薄板を重ねて積層部を形成し、その積層部に所定の間隔を設けてスポット溶接を行うことを特徴とするチタン薄板の接続方法。
【請求項２】
上記チタン薄板の板厚が0.01〜0.5ｍｍである請求項１記載のチタン薄板の接続方法。
【請求項３】
上記非チタン薄板は、上記チタン薄板と同程度の厚さで、ビッカース硬度が80〜120Ｈｖ、かつ、伸びが30〜50％である請求項１又は２記載のチタン薄板の接続方法。
【請求項４】
上記非チタン薄板がＮｉ薄板で構成され、かつ、その板厚が0.1〜0.5ｍｍ未満（0.1ｍｍは除く）である請求項１から３いずれかに記載のチタン薄板の接続方法。
【請求項５】
上記スポット溶接時の溶接電流が20〜25Ａ、サイクル数が20〜60サイクル/ｓである請求項１から４いずれかに記載のチタン薄板の接続方法。
【請求項６】
チタン薄板の端部同士を突き合わせ接続した接続部材において、上記チタン薄板の端部同士の突き合わせ部を覆うように、それらのチタン薄板の両面に非チタン薄板を重ねて積層部を形成し、その積層部に所定の間隔を設けてスポット溶接を行い、各スポット溶接部でチタン薄板と非チタン薄板を溶融一体化させたことを特徴とするチタン薄板の接続部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接続後に曲げやねじれなどの変形が加えられるチタン薄板の接続方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境上の問題から、燃料電池の需要が高まっている。この燃料電池のセルは、燃料が収容されることから耐食性が要求され、その構成材としてチタン材、ステンレス鋼材が使用されている。例えば、燃料電池セルの構成材として、Ｔｉ／ステンレス鋼／Ｔｉの積層構造を有する３層クラッド材が使用されている。この３層クラッド材を構成するチタン薄板をバッチ式ではなく連続生産するために、先行して搬送されるチタン薄板（以後、先行チタン薄板という）の後端部に、その後に搬送されるチタン薄板（以後、後行チタン薄板という）の先端部を接続し、両チタン薄板の一体化がなされる。この連続的に繋がったチタン薄板と同じく連続的に繋がったステンレス鋼薄板をクラッドして３層クラッド材が作製され、得られた３層クラッド材はロールに巻き取られる。
【０００３】
先行チタン薄板（又は先行金属薄板）と後行チタン薄板（又は後行金属薄板）の接続方法として、以下のものが挙げられる。
【０００４】
(1)  先行金属薄板と後行金属薄板の各端部を単に重ね合わせ、その重ね合わせ部をスポット溶接やろう付けなどの手法を用いて接続する（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００５】
(2)  先行金属薄板と後行金属薄板の各端部を単に重ね合わせ、その重ね合わせ部をピン部材などで機械的に接続する（例えば、特許文献３参照）。例えば、図５（ａ）に示すように、一方（図５中では右側）の金属薄板５１の端部に穴５２を、他方（図５中では左側）の金属薄板５３の端部に先細の爪部５４を予め形成しておく。その後、図５（ｂ）に示すように、各爪部５４を各穴５２に差し込んだ後に、各爪部５４の先端を折り返して接続する。
【０００６】
(3)  先行金属薄板と後行金属薄板の各端部を突き合わせ、その突き合わせ部をTIG溶接して接続する。
【０００７】
【特許文献１】特開平４−８９１７９号公報
【特許文献２】特開平９−２０６８０３号公報
【特許文献３】特開昭５９−１４１３０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前述した(1)、(3)の方法を用いて先行チタン薄板と後行チタン薄板の各端部の接続を行った場合、溶接箇所やろう付け箇所が一時的に高温状態となる。これによって、溶接部やろう付け部において、母材であるチタン薄板の硬度が著しく高くなって脆くなってしまう。その結果、溶接部やろう付け部に曲げやねじれなどの変形が加わると、破断が生じるおそれがあった。
【０００９】
また、前述した(2)の方法を用いて先行チタン薄板と後行チタン薄板の各端部の接続を行った場合、接続部に曲げやねじれなどの変形が加わると、接続が外れてしまうおそれがあり、接続部の信頼性が低いという問題があった。
【００１０】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、接続部に曲げやねじれなどの変形に伴う応力が付与されても、破断が生じるおそれのないチタン薄板の接続方法及びそれを用いて接続した接続部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成すべく本発明に係るチタン薄板の接続方法は、チタン薄板の端部同士を突き合わせ接続する方法において、上記チタン薄板の端部同士の突き合わせ部を覆うように、それらのチタン薄板の両面に非チタン薄板を重ねて積層部を形成し、その積層部に所定の間隔を設けてスポット溶接を行うものである。
【００１２】
チタン薄板の板厚は0.01〜0.5ｍｍであることが好ましい。
【００１３】
非チタン薄板は、上記チタン薄板と同程度の厚さで、ビッカース硬度が80〜120Ｈｖ、かつ、伸びが30〜50％であることが好ましい。
【００１４】
非チタン薄板は、Ｎｉ薄板で構成され、かつ、その板厚が0.1〜0.5ｍｍ未満（0.1ｍｍは除く）であることが好ましい。
【００１５】
スポット溶接時の溶接電流は20〜25Ａ、サイクル数は20〜60サイクル/ｓであることが好ましい。
【００１６】
一方、本発明に係るチタン薄板の接続部材は、チタン薄板の端部同士を突き合わせ接続した接続部材において、上記チタン薄板の端部同士の突き合わせ部を覆うように、それらのチタン薄板の両面に非チタン薄板を重ねて積層部を形成し、その積層部に所定の間隔を設けてスポット溶接を行い、各スポット溶接部でチタン薄板と非チタン薄板を溶融一体化させたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るチタン薄板の接続方法によれば、接続後の接続部に、曲げやねじれなどの変形に伴う応力が付与されても、破断が生じるおそれがないという優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１９】
本発明の好適一実施の形態に係るチタン薄板の端部同士の接続方法を、図１及び図２（ａ）、図２（ｂ）を用いて説明する。
【００２０】
本実施の形態に係るチタン薄板の接続方法は、先ず、図１に示すように、チタン薄板１１ａ，１１ｂの端部同士を突き合わせ、その突き合わせ部１２を覆うように、それらのチタン薄板１１ａ，１１ｂの両面に非チタン薄板１３ａ，１３ｂを重ねて積層部１５を形成する。
【００２１】
次に、図２（ａ）に示すように、この積層部１５に所定の間隔を設けてスポット溶接を行う。図２（ａ）中の１６が、スポット溶接を行う箇所である。この時、図３に示すように、チタン薄板１１ａ，１１ｂの幅方向（図３中では上下方向）のスポット溶接間隔はP1、チタン薄板１１ａ，１１ｂの長手方向（図３中では左右方向）のスポット溶接間隔はP2、チタン薄板１１ａ，１１ｂの長手方向に隣接するスポット溶接部１６の中心位置ズレはP3、好ましくはP3＝(P1/2)とされる。例えば、チタン薄板１１ａ，１１ｂ及び非チタン薄板１３ａ，１３ｂの厚さが0.1〜0.5ｍｍ未満（0.1ｍｍは除く）の時、P1，P2は15〜30ｍｍ、P3は7〜20ｍｍとされ、板厚に対して十分に大きなピッチ間隔がとられている。
【００２２】
このスポット溶接により、図２（ｂ）に示すように、溶接電極２１ａ，２１ｂで挟まれた部分（図２（ｂ）中の網掛け部分２２）は、それぞれ高温となる。これによって、各網掛け部分２２が部分溶融し、非チタン薄板１３ａ，１３ｂとチタン薄板１１ｂ（又は１１ａ）が一体化される。一方、網掛け部分２２以外の部分（非スポット溶接部）は部分溶融せず、非チタン薄板１３ａ，１３ｂとチタン薄板１１ｂ（又は１１ａ）は積層されたままの状態で保持される。つまり、積層部１５の中間層（チタン薄板１１ａ，１１ｂの層）において、その水平方向（積層方向と直交する方向）にアイランド状のチタン薄板２３が所定間隔で分散配置されたチタン薄板の接続部材が得られる。
【００２３】
本実施の形態に係るチタン薄板の接続方法を用いてチタン薄板同士の接続を順次繰り返し行うことで長尺の接続部材が得られ、この長尺の接続部材は、適宜、巻取ロールなどの巻取手段に巻き取られる。この接続部材を製品として実際に使用する際、各積層部１５は製品として使用されず、各積層部１５を切断除去した後、残りの部分が製品として使用される。
【００２４】
チタン薄板１１ａ，１１ｂは、非常に薄いものであり、その板厚は0.01〜0.5ｍｍ、好ましくは0.1〜0.3ｍｍとされる。非チタン薄板１３ａ，１３ｂは、チタン薄板１１ａ，１１ｂと同程度の厚さで、ビッカース硬度が80 〜120Ｈｖ、かつ、伸びが30〜50％とされる。例えば、非チタン薄板１３ａ，１３ｂとして、板厚が0.1〜0.5ｍｍ未満（0.1ｍｍは除く）、好ましくは0.15〜0.4ｍｍのＮｉ薄板や、Ｆｅ薄板、ステンレス鋼薄板などが挙げられる。
【００２５】
また、図４（ａ）に示す非チタン薄板１３ａ（又は１３ｂ）の角部４１は、図４（ｂ）に示すように、角がＲ状となるように面取りを行った角部４２や、図４（ｃ）に示すように、角が尖端状となるように面取りを行った角部４３であってもよい。非チタン薄板１３ａ（又は１３ｂ）の角部４１を面取りすることで、バリによるチタン薄板１１ａ，１１ｂの損傷を防止することができる。
【００２６】
P1〜P3は、積層部１５の厚さ（すなわち、非チタン薄板１３ａ，１３ｂの厚さ）に応じて適宜選択され、積層部１５の厚さが、厚い時には大きく、薄い時には小さくされる。また、P1〜P3は、非チタン薄板１３ａ，１３ｂの硬度や伸びに応じて適宜選択され、非チタン薄板１３ａ，１３ｂの硬度が、高い時には大きく、低い時には小さくされ、非チタン薄板１３ａ，１３ｂの伸びが、高い時には小さく、低い時には大きくされる。
【００２７】
スポット溶接時の溶接電流は20〜25Ａ、好ましくは22Ａ前後、サイクル数は20〜60サイクル/ｓ、好ましくは25〜55サイクル/ｓ、より好ましくは35〜55サイクル/ｓとされる。溶接電流は、積層部１５の厚さ（すなわち、非チタン薄板１３ａ，１３ｂの厚さ）に応じて適宜選択され、積層部１５の厚さが、厚い時には大きく、薄い時には小さくされる。また、サイクル数は、積層部１５の厚さに応じて適宜選択され、積層部１５の厚さが、厚い時には高く、薄い時には低くされる。
【００２８】
次に、本実施の形態に係るチタン薄板の接続方法を用いて作製した接続部材の作用を説明する。
【００２９】
積層部１５において、各スポット溶接部１６は溶接時に高温となるため、それらの部分は硬化し、脆くなっている。よって、スポット溶接部１６のピッチ間隔が狭すぎる場合、すなわちスポット溶接部１６の平均密度（スポット溶接部の数／積層部の面積）が高い場合、溶接部（溶接後の積層部１５）全体に曲げ変形やねじれ変形に伴う応力（引張応力や圧縮応力（以下、曲げ応力という））が付与された際に、破断が生じるおそれがある。よって、本実施の形態に係るチタン薄板の接続方法においては、チタン薄板１１ａ，１１ｂ及び非チタン薄板１３ａ，１３ｂの厚さに対して、十分に大きなピッチ間隔でスポット溶接を行い、積層部１５におけるスポット溶接部１６の平均密度を低くしている。
【００３０】
また、接続部材の溶接部に曲げ応力が作用した際、溶接部における各スポット溶接部１６は硬く、脆いことから、そのままでは破断してしまう。よって、溶接部における非スポット溶接部には、この曲げ応力を吸収、緩和することが要求される。このため、本実施の形態に係るチタン薄板の接続方法においては、非チタン薄板１３ａ，１３ｂとして、軟質で、伸びが良好な材料を用いている。具体的には、チタン薄板１１ａ，１１ｂと同程度の厚さで、ビッカース硬度が80〜120Ｈｖ、かつ、伸びが30〜50％の非チタン薄板１３ａ，１３ｂを用いている。
【００３１】
これらにより、接続部材の溶接部に曲げ応力が付与されても、非スポット溶接部において曲げ応力が吸収、緩和されるため、スポット溶接部１６に曲げ応力が付与されるおそれは殆どない。一方、接続部材の溶接部に衝撃などの外力が加わった際、外力が小さい場合は、非チタン薄板１３ａ，１３ｂが外力を完全に吸収、緩和する。また、接続部材の溶接部に大きな外力によって変形が生じた場合は、非スポット溶接部が先ず変形するため、各スポット溶接部１６に変形が生じるおそれは殆どない。よって、接続部材の溶接部に曲げ応力や外力などが付与されても、接続部材の溶接部において破断が生じるおそれはない。
【００３２】
本実施の形態に係るチタン薄板の接続方法を用いて作製した接続部材は、その用途を特に限定するものではないが、例えば、燃料電池セルを構成する３層クラッド材のＴｉ材として好適である。
【００３３】
以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。
【００３４】
次に、本発明について、実施例に基づいて説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００３５】
（試験１）
厚さ0.3 ｍｍのチタン薄板の端部同士を突き合わせ、その突き合わせ部を覆うように、チタン薄板の両面に厚さ0.1 ｍｍのニッケル薄板（非チタン薄板）を重ねて積層部を形成した。その積層部に所定の間隔を設けてスポット溶接を行い、接続部材を作製した（試料１）。スポット溶接に用いたスポット溶接機（YR-150SRF，松下電器(株)製）は、定格最低容量が15kVA、定格１次電圧が200V、最大加圧力が150kgf、定格周波数が50Hz、最大短絡電流が11kVA、許容使用率が9％のものであった。スポット溶接条件（溶接電流(Ａ)×サイクル(ｓ)）は、22×30、22×40、22×50、27.5×30、27.5×40、27.5×50とした。ここで言う溶接電流は、最大短絡電流を最大目盛りで除算した値に、実際の計測目盛りを乗算した計算値である。
【００３６】
（試験２）
ニッケル薄板の厚さが0.15ｍｍである以外は、試験１と同様にして接続部材を作製した（試料２）。スポット溶接条件（溶接電流(Ａ)×サイクル(ｓ)）は、22×30、22×40、22×50とした。
【００３７】
（試験３）
ニッケル薄板の厚さが0.2ｍｍである以外は、試験１と同様にして接続部材を作製した（試料３）。スポット溶接条件（溶接電流(Ａ)×サイクル(ｓ)）は、22×30、22×40、22×50とした。
【００３８】
（試験４）
ニッケル薄板の厚さが0.3ｍｍである以外は、試験１と同様にして接続部材を作製した（試料４）。スポット溶接条件（溶接電流(Ａ)×サイクル(ｓ)）は、22×40、22×50とした。
【００３９】
（試験５）
ニッケル薄板の厚さが0.4ｍｍである以外は、試験１と同様にして接続部材を作製した（試料５）。スポット溶接条件（溶接電流(Ａ)×サイクル(ｓ)）は、22×50、27.5×50とした。
【００４０】
（試験６）
ニッケル薄板の厚さが0.5ｍｍである以外は、試験１と同様にして接続部材を作製した（試料６）。スポット溶接条件（溶接電流(Ａ)×サイクル(ｓ)）は、27.5×50、27.5×55とした。
【００４１】
（試験７）
ニッケル薄板の厚さが0.8ｍｍである以外は、試験１と同様にして接続部材を作製した（試料７）。スポット溶接条件（溶接電流(Ａ)×サイクル(ｓ)）は、33×55とした。
【００４２】
試料１〜７について、溶接性、接合性、及び総合の評価を行った。それらの評価結果を表１に示す。
【００４３】
ここで、接合性の評価は、曲げやねじれなどの引張応力を付与した時に、溶接部（溶接後の積層部）で剥がれが生じず、溶接部以外の部分で破断が生じたものを◎、溶接部で剥がれなかった箇所と剥がれた箇所が併存していたものを○、溶接部を簡単に手で剥がすことができたものを×とした。一方、総合評価は、優良なものを◎、良好なものを○、不良なものを×とした。
【００４４】
【表１】
2006187786.tif 000003
【００４５】
表１に示すように、試料１は、ニッケル薄板の厚さが薄すぎたため、ほぼ全てのスポット溶接部において穴が空いており、スポット溶接を良好に行うことができなかった。当然、溶接部は接合されていないため手で簡単に剥がれ、接合性は×であった。以上より、総合評価は×であった。
【００４６】
試料２は、スポット溶接部に穴空き箇所があったが、溶接性はほぼ良好であった。また、溶接部において部分的に接合されていない箇所があったが、接合性は○であった。以上より、総合評価は○であった。
【００４７】
試料３は、スポット溶接部に穴空き箇所はなく、溶接性は良好であった。また、溶接部の一部に剥がれる部分はあったが、接合性は○であった。以上より、総合評価は○であった。中でも、スポット溶接条件が22×40、22×50のものは、溶接部に剥がれる部分は全くなく（接合性が◎）、総合評価も◎であった。
【００４８】
試料４，５は、スポット溶接部に穴空き箇所はなく、溶接性は良好であった。また、溶接部は、曲げ、ねじれに対しては強度がやや不足気味であったものの、引張に対する強度は十分であり、接合性は○であった。以上より、総合評価は○であった。
【００４９】
試料６，７は、ニッケル薄板の厚さが厚すぎたため、スポット溶接自体を行うことができなかった。当然、溶接部は接合されていないため手で簡単に剥がれ、接合性は×であった。以上より、総合評価は×であった。
【００５０】
試料２〜５については、実際のライン（連続焼鈍ライン、クラッドミルライン）を走行させるというテストを行ってみたが、接続部材の溶接部において破断が生じることはなく、全く実用上の問題はなかった。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の好適一実施の形態に係るチタン薄板の端部同士の接続方法を説明するための図である。
【図２】積層部でのスポット溶接を説明するための図である。図２（ａ）は、スポット溶接前の状態を示す横断面図、図２（ｂ）はスポット溶接時の状態を示す横断面図である。
【図３】積層部近傍の平面図である。
【図４】非チタン薄板の平面図である。図４（ａ）は全体図、図４（ｂ）及び図４（ｃ）は図４（ａ）の角部の拡大図である。
【図５】従来におけるチタン薄板の端部同士の接続方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５２】
１１ａ，１１ｂ  チタン薄板
１２  突き合わせ部
１３ａ，１３ｂ  非チタン薄板
１５  積層部
【図１】
2006187786.tif 000004
【図２】
2006187786.tif 000005
【図３】
2006187786.tif 000006
【図４】
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【図５】
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