(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間ブロー成形が可能な複数のアルミ板を並べ、それらのアルミ板の端部を互いに溶接して一枚の板素材を成形する工程と、
前記板素材を金型にセットした後、その板素材を加熱する工程と、
加熱された前記板素材を気体の圧力で前記金型の成形面に押圧し、その成形面と等しい形状に成形する熱間ブロー成形工程とを有しており、
前記熱間ブロー成形工程では、前記板素材における溶接部位を含む範囲が気体の圧力で変形して前記金型の成形面に押し付けられ、その金型の成形面によって成形されることを特徴とするアルミ製品の成形方法。
【請求項２】
請求項１に記載されたアルミ製品の成形方法において、
熱間ブロー成形後における板素材の板厚寸法が熱間ブロー成形前における板素材の板厚寸法の60％以上となる低ひずみ領域に溶接部位を配置することを特徴とするアルミ製品の成形方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２のいずれかに記載されたアルミ製品の成形方法において、
アルミ板としてアルミニウム展伸材を使用することを特徴とするアルミ製品の成形方法。
【請求項４】
請求項３に記載されたアルミ製品の成形方法において、
アルミ板として、熱間ブロー成形における加熱温度で超塑性を有するアルミニウム展伸材を使用することを特徴とするアルミ製品の成形方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載されたアルミ製品の成形方法であって、
厚み寸法の異なるアルミ板を互いに溶接して一枚の板素材を成形することを特徴とするアルミ製品の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアルミ板で希望する形状の製品を成形するアルミ製品の成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
小型船舶の素材としてアルミニウム合金板素材（JIS規格A5083）が一般的に使用される。アルミニウム合金板素材（以下、アルミ板という）で船舶を製造する場合には一枚のアルミ板で継ぎ目を設けることなく一艘の船舶を製造することが船舶の強度及び加工効率からも好ましい。しかし、前記アルミ板は製作、運搬及び販売等の関係でメーカーがそのサイズを定めている。このため、前記アルミ板のサイズよりも小さい船舶であれば一枚のアルミ板を加工・成形して希望する船舶を製作することができる。しかし、アルミ板のサイズよりも大きい船舶の場合には上記した製法が採れないため、複数のアルミ板をそれぞれ加工・成形してその船舶の各部分を製作し、その各部分を矯正した後互いに溶接して船舶を組み立てている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、加工・成形した船舶の各部分を互いに溶接して船舶を組み立てる方法では、複数の成形工程が必要であり、さらに成形された各部分の矯正工程や位置合わせ工程等が必要となるため製造工程数が多くなる。また、溶接を船舶の複雑な曲面に倣って行う必要があることから溶接作業が難しくなり、溶接の自動化が困難である。このため、船舶の製造コストが高くなるという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、本発明の技術的課題は、製造工程数を少なくするとともに、溶接作業を容易にして大型のアルミ製品の製造コストを低下させることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、各請求項の発明によって解決される。
請求項１の発明は、熱間ブロー成形が可能な複数のアルミ板を並べ、それらのアルミ板の端部を互いに溶接して一枚の板素材を成形する工程と、前記板素材を金型にセットした後、その板素材を加熱する工程と、加熱された前記板素材を気体の圧力で前記金型の成形面に押圧し、その成形面と等しい形状に成形する熱間ブロー成形工程とを有しており、前記熱間ブロー成形工程では、前記板素材における溶接部位を含む範囲が気体の圧力で変形して前記金型の成形面に押し付けられ、その金型の成形面によって成形されることを特徴とする。
【０００６】
本発明によると、複数のアルミ板を板の状態で溶接して所定サイズの板素材を成形するため、溶接が簡単かつ確実に行えるようになり、溶接の自動化が容易になる。さらに、複数のアルミ板を溶接して得られた板素材を熱間ブロー成形で希望する形状の製品に成形できるため、従来、複数必要とされた成形工程が一回で済み、さらに矯正工程等も不要になって製造工程数を大幅に少なくできる。このため、複数のアルミ板を使用する大型のアルミ製品の製造コストを低下させることができる。
【０００７】
請求項２の発明は、熱間ブロー成形後における板素材の板厚寸法が熱間ブロー成形前における板素材の板厚寸法の60％以上となる低ひずみ領域に溶接部位を配置することを特徴とする。
【０００８】
本発明によると、延性の低い溶接部位が低ひずみ領域に配置されているため、熱間ブロー成形時に溶接部位あるいはその近傍が破断しない。
【０００９】
請求項３に記載のアルミ製品の成形方法は、請求項１に記載されたアルミ製品の成形方法において、アルミ板にアルミニウム展伸材を使用する。
【００１０】
本発明によると、アルミ板にアルミニウム展伸材、例えば船舶用アルミニウム合金（JIS  A5083）を使用するため、アルミ製品の強度が高く、耐食性及び溶接性が良い。
【００１１】
請求項４の発明は、アルミ板として、熱間ブロー成形における加熱温度で超塑性を有するアルミニウム展伸材を使用することを特徴とする。
【００１２】
本発明によると、アルミ板として、熱間ブロー成形における加熱温度で超塑性を有するアルミニウム展伸材を使用するため、熱間ブロー成形時の延性が高く、溶接部位の延性の低さを十分カバーできるようになる。このため、熱間ブロー成形時に溶接部位及びその近傍が破断し難くなる。
請求項５の発明は、厚み寸法の異なるアルミ板を互いに溶接して一枚の板素材を成形することを特徴とする。これによって、アルミ製品の肉厚制御が可能になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、図１から図４に基づいて、本発明の第１の実施の形態に係るアルミ製品の成形方法について説明する。本実施の形態に係るアルミ製品の成形方法は、JIS-H-4000で規定されるアルミニウム合金板素材5083、いわゆるアルミニウム展伸材（以下、アルミ板という）を複数枚使用して船舶を製造する方法に関するものである。なお、図１は船舶の製造工程図、図２は熱間ブロー成形時における板素材の各部位のひずみ分布を表す図面、図３は熱間ブロー成形装置の縦断面図、図４は板素材により成形された船舶の斜視図である。
【００１４】
先ず、製作しようとする船舶に必要な板素材のサイズを決定する（ステップ１０１参照）。一般的には、図２に示されるように、船舶の平面形状、即ちボートラインＢ（点線参照）に基づいて板素材２のサイズ（幅Ｗ、長さＬ、厚みＴ）が決定される。
次に、前記板素材２を熱間ブロー成形して船舶１０（図４参照）を製造する場合にその板素材２のどの部分がどれだけひずむかをコンピュータでＦＥＭ解析する（ステップ１０２参照）。なお、ＦＥＭ解析とは有限要素法を用いた解析のことをいう。
【００１５】
そして、ＦＥＭ解析に基づいてひずみ分布を作成する。図２のひずみ線Ｓ0.2は相対ひずみが0.2となる線を表しており、この線の外側で相対ひずみが0.2よりも小さくなる。また、ひずみ線Ｓ0.2の内側で相対ひずみが0.2よりも大きくなる。ここで、相対ひずみとは、元板の厚みに対する成形品の板厚の相対的な変化を表している。したがって、相対ひずみが0.2とは、｛［板素材の板厚（Ｔ）］−［成形品の板厚（ｔ）］｝÷［板素材の板厚（Ｔ）］が0.2であることをいう。即ち、相対ひずみが0.2のところでは成形品の板厚（ｔ）は0.8Ｔになる。
【００１６】
同様に、ひずみ線Ｓ0.4は相対ひずみが0.4となる線を表しており、この線Ｓ0.4の外側で相対ひずみが0.4よりも小さく、ひずみ線Ｓ0.4の内側で相対ひずみが0.4よりも大きくなる。なお、相対ひずみが0.4のところでは成形品の板厚（ｔ）は0.6Ｔになる。
同様に、ひずみ線Ｓ0.5は相対ひずみが0.5となる線、ひずみ線Ｓ0.6は相対ひずみが0.6となる線、ひずみ線Ｓ0.8は相対ひずみが0.8となる線を表しており、それぞれのひずみ線Ｓの部分での成形品の板厚（ｔ）は0.5Ｔ、0.4Ｔ、0.2Ｔとなる。即ち、本実施の形態に係る船舶１０では船底中央前部１２、船底中央後端部１４及びフランジ付け根船中央部１５（図４参照）のひずみが大きくなる。
【００１７】
このようにしてＦＥＭ解析に基づいてひずみ分布が作成されると、相対ひずみが0.4以下の領域（低ひずみ領域）に板の境目（溶接ラインＹ）が配置されるように、アルミ板２ａ，２ｂが並べられる（図２参照）。溶接ラインＹを低ひずみ領域に配置するのは溶接部位が他の部位と比べて延性が極めて低く成形性が悪いためである。
即ち、前記船舶１０では、船底中央に高ひずみ領域が存在しているため、船底とその周辺の船側を一枚の幅広のアルミ板２ａで成形し、両側に配置された幅の狭いアルミ板２ｂで残りの船側を成形するようにしている。また、溶接時の作業性を考慮して、溶接ラインＹは直線になるように設計されている。
【００１８】
このようにして、アルミ板２ａ，２ｂが図２に示されるように並べられると、溶接ラインＹに沿ってアルミ板２ａ，２ｂがＴＩＧ溶接される（ステップ１０４参照）。
次に、アルミ板２ａ，２ｂの溶接にＴＩＧ溶接を使用する理由について簡単に説明する。一般的に、アルミ板を溶接する場合にはＴＩＧ溶接の他にＭＩＧ溶接等が考えられる。このため、ＴＩＧ溶接／ＭＩＧ溶接の溶接結果を溶接部外観検査、非破壊検査、断面組織観察、断面硬さ検査、バルジ成形試験において比較検討し、総合的な判断から本実施の形態に係る船舶１０の製造に適した溶接法を採用した。
【００１９】
溶接部の外観検査ではＴＩＧ溶接の溶接部はフィラ（溶接ワイヤ）の有無に係わらず非常に良好なビードを示しているのに対し、ＭＩＧ溶接の溶接部は溶着量が多く、スパッタの発生も多いためビード外観はやや劣る。また、ＴＩＧ溶接の場合にフィラの有無の双方について非破壊検査を行った。フィラ無しの場合、ブローホールと思われる欠陥が若干確認されたが、フィラ有りの場合には前記欠陥が認められなかった。
【００２０】
断面組織観察ではＴＩＧ溶接／ＭＩＧ溶接ともに大きな欠陥は認められなかった。また、断面硬さ検査でもＴＩＧ溶接／ＭＩＧ溶接ともに溶接部の硬さはHV80〜HV90前後でほぼ一定であり、Ｍｇの蒸発に起因する溶接金属部での極端な硬さの低下は認められなかった。
【００２１】
バルジ成形試験では、ＴＩＧ溶接／ＭＩＧ溶接の溶接部を有するアルミ板を実際に熱間ブロー成形し、亀裂が発生するまでにそのアルミ板が球状に張り出した高さ（バルジ高さ）を測定した。
なお、試験温度は520℃、昇圧速度は0.25kg/cm2/分である。
バルジ成形試験ではＴＩＧ溶接がＭＩＧ溶接よりも優れており、さらにＴＩＧ溶接のフィラ無しがフィラ有りよりも若干優れた結果が得られた。しかし、フィラ無しでは溶接表面が窪むためブローホールの発生に注意が必要になる。また、板厚減少による強度も懸念される。したがって、総合的に判断した結果、本実施の形態においてはフィラ有りＴＩＧ溶接を採用することにした。
【００２２】
このようにして、フィラ有りＴＩＧ溶接によりアルミ板２ａ，２ｂが溶接されて一枚の板素材２が成形されると、図３に示されるようにその板素材２が熱間ブロー成形装置２０の金型２２にセットされる（ステップ１０５参照）。
次に、熱間ブロー成形装置２０の概要を説明する。
熱間ブロー成形装置２０は、板素材２を船舶１０の形状にブロー成形する装置であり、金型２２を備えている。金型２２は上型２３と下型２４とから構成されており、上型２３と下型２４との合わせ面２３ｔ，２４ｔに板素材２の端縁が拘束される。前記上型２３の中央部には端縁が拘束された板素材２に対して片側（上側）から気体圧力を付加する加圧装置２５が装着されている。前記加圧装置２５には、板素材２に加える圧力を予め決められた速度で昇圧できるように、圧力制御手段（図示されていない）が設けられている。
【００２３】
また、下型２４には気体圧力により下側に変形した板素材２を受ける船舶形の成形面２４ｆが形成されている。なお、下型２４には図示されていないガス抜き孔が形成されている。即ち、周囲が拘束された板素材２を加圧装置２５からの気体圧力で下方に変形させて下型２４の成形面２４ｆに押圧することにより、その板素材２を船舶形に成形することができる。
さらに、前記熱間ブロー成形装置２０は、金型２２及びその金型２２にセットされた板素材２を加熱して所定温度に保持するオーブン２６を備えている。なお、オーブン２６には、内部温度を設定値に基づいて制御する温度制御手段（図示されていない）が設けられている。
【００２４】
図３に示されるように板素材２が熱間ブロー成形装置２０の金型２２にセットされると、オーブン２６によって金型２２及び板素材２が約500℃まで加熱される。そして、オーブン２６内の温度を約500℃に保持した状態で加圧装置２５を動作させ、板素材２の上面に加わる気体圧力を0.125 kg/cm2/分の速度で徐々に昇圧してブロー成形を行う（ステップ１０５参照）。なお、ブロー成形時のオーブン２６内の温度や気体の昇圧速度は板素材２のサイズや溶接ラインＹの位置に応じて適宜修正する。
【００２５】
このようにして熱間ブロー成形が終了すると、オーブン２６から金型２２を引き出し、型開きを行って成形が完了した板素材２、即ち、アルミ製品である船舶１０を金型２２から取出す（ステップ１０７参照）。
【００２６】
このように本実施の形態に係るアルミ製品の成形方法によると、ブロー成形前に複数のアルミ板２ａ，２ｂを板の状態で溶接して所定サイズの板素材２を成形するため、溶接が簡単かつ確実に行えるようになり、溶接の自動化が容易になる。さらに、前記板素材２を熱間ブロー成形で希望する形状の製品に成形できるため、従来複数必要とされた成形工程が一回で済み、さらに矯正工程等も不要になって製造工程数を大幅に少なくできる。このため、複数のアルミ板を使用する大型の船舶１０の製造コストを低下させることができる。
【００２７】
また、延性の低い溶接部位Ｙが低ひずみ領域、即ち、アルミ製品の板厚がアルミ板の板厚の60％以上となる領域に配置されているため、熱間ブロー成形時に溶接部位Ｙが破断することがない。
また、アルミ板はアルミニウム展伸材であるため、船舶１０の強度が高く、耐食性及び溶接性が良い。
なお、本実施の形態においては溶接ラインＹを直線に設定したが、ＦＥＭ解析に基づくひずみ分布の状況に応じては折れ線にしたり、曲線にすることも可能である。
【００２８】
また、本実施の形態においてアルミ製品として船舶を成形する例を示したが、これに限定されるわけではなく、例えば、建物の外壁、自動車及び列車の外板等を成形することも可能である。さらに、アルミ板としてアルミニウム展伸材を使用したが、船舶以外のアルミ製品を成形する場合には熱間ブロー成形が可能なアルミ材であればアルミニウム展伸材に限定されない。
また、本実施の形態においては、板厚の等しいアルミ板を溶接して板素材を成形する例を示したが、板厚の異なるアルミ板及び合金成分の異なるアルミ板を使用して板素材を成形することにより、アルミ製品の肉厚制御も可能である。
【００２９】
（第２の実施の形態）
本実施の形態に係るアルミ製品の成形方法は、アルミ板に超塑性アルミニウム材を使用して船舶を成形するものであり、成形方法については第１の実施の形態に係るアルミ製品の成形方法と同様である。
超塑性アルミニウム材はJIS-H-4000に規定されているアルミニウム合金の板5083（アルミニウム展伸材）に分類される成分を有する材料であり、通常のアルミニウム展伸材の結晶の粒径が約40μmであるのに対して超塑性アルミニウム材の結晶の粒径は約10μmである。このため、高温雰囲気（約500℃）下で応力を受けると、比較的低い応力でも粒界すべりが生じてキャビテーションを発生しながら数100％と大きく伸びる。
【００３０】
しかし、超塑性アルミニウム板を溶接すると溶接部分の粒径が大きくなるためその部分の延性は低い。このため、本実施の形態においても第１の実施の形態の場合と同様に、溶接部分を低ひずみ領域に配置している。
このように、本実施の形態に係るアルミ製品の成形方法ではアルミ板に超塑性アルミニウム材を使用しているため、熱間ブロー成形時における板素材全体の延性は向上する。このため、溶接部位の延性が低くてもその他の部分で溶接部位の延性の低さを十分カバーすることができ、熱間ブロー成形時に溶接部位及びその近傍が破断し難くなる。
【００３１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明の実施の形態には請求の範囲に記載した技術的事項以外に次のような技術的事項を有するものであることを付記しておく。
（１）  請求項１に記載されたアルミ製品の成形方法において、
複数のアルミ板をＴＩＧ溶接により溶接して板素材を成形するアルミ製品の成形方法。
これによって、溶接部位が破断し難くなるとともに、溶接部位の外観が良好に保持される。
（２）  請求項１に記載されたアルミ製品の成形方法において、
肉厚の異なるアルミ板及び合金成分の異なるアルミ板を溶接して板素材を成形するアルミ製品の成形方法。
これによって、アルミ製品の肉厚制御が可能になる。
（３）  請求項１に記載されたアルミ製品の成形方法において、
変形抵抗の異なるアルミ板を溶接した板素材を成形するアルミ製品の成形方法。これによって、アルミ製品の肉厚制御が可能になる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によると、溶接時間を短縮することができ、さらに製造工程数を少なくできるため、アルミ製品の製造コストを低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るアルミ製品の成形方法を表す工程図である。
【図２】熱間ブロー成形時における板素材のひずみ分布を表す図面である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るアルミ製品の成形方法に使用される熱間ブロー成形装置の縦断面図である。
【図４】成形されたアルミ製品である船舶の斜視図である。
【符号の説明】
２    板素材
２ａ  アルミ板
２ｂ  アルミ板
Ｂ    ボートライン
Ｙ    溶接ライン
１０  船舶（アルミ製品）
２０  熱間ブロー成形装置
【図１】
0003756685.tif 000002
【図２】
0003756685.tif 000003
【図３】
0003756685.tif 000004
【図４】
0003756685.tif 000005