JP2005305542A - リサイクル溶接継手の製造法およびその解体方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車、電気製品、航空機、船舶など溶接製品は使用後、分離解体を要求されるが、溶接継手部は通常母材と同等に強靭であるため、分離解体は困難を極めており、上記溶接製品の円滑なリサイクルを阻害している。
【解決手段】金属の溶接継手を分離・解体を容易にするためのリサイクル継手の発案とその製造法および実際の応用方法について発案したもので、Ａｌ−Ｆｅ等の延性及びぜい性な金属間化合物を生成・変換することにより、従来の溶接部材の間にリサイクル可能な溶接継手を図１または図２のように設けることにより、溶接製品の解体、リサイクルが可能となる。金属の回収・再利用を促進できる。使用時は接合面に延性のある金属間化合物を生成ないし金属結合をしており、溶接製品として利用し、廃棄時にこのリサイクル継手部のみ加熱し、ぜい化させた後、分離・解体し、金属を選別して、リサイクルが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車、航空機、車両、船舶、パイプライン、機械部品、建築鉄骨、橋梁、電機機器、事務機器、介護用ベッド、武器など溶接構造物や溶接製品、部材の溶接組み立ておよびその解体・分離・リサイクル技術に関するものである。

従来は各種溶接適用製品である、自動車、船舶、建築物、橋梁、化学容器、パイプライン、化学プラント、ポンプ機器類の機械部品、電機製品、各種機械類などは溶接部を分離できないため、熱切断するか切断しないまま廃棄されている。これらの溶接製品は、従来あまりリサイクル性を考慮しないで接合され、組み立てられて来た。リサイクル性を考慮しないで製造されてきた。これら溶接製品は通常、各種金属材料が利用されており、これらをそれぞれ分離して同種金属としてリサイクルすることが困難であった。よって、解体を考慮する場合は、ボルトーナットのボルト結合、ネジ式リベット接合、ファスナー結合、木ネジ結合などの機械的結合がなされてきた。金属結合となる溶接（融接、固相接合、ろう付）はほとんど利用されなかった。

しかし、最近、地球上の資源の有効利用が強く意識される時代になり、使用済み後、分離・解体・リサイクルが要求されるようになってきた。とくに、それぞれの金属を分離し、リサイクルすることが望まれている。しかし、金属接合の溶接継手は通常母材と同等またはそれ以上に強靱に接合されており、分離・解体・リサイクルは困難を極める。よって、溶接継手をガス切断やプラズマ切断などの熱切断で解体することはあったが、その接合面で解体するリサイクル溶接継手は過去の特許にはなかった。

そこで、このような溶接製品を解体・分離し、それぞれの金属に選別してリサイクルする方法があれば、将来の資源の問題を解決することができる。ボルトやナットを外したり、リベット接合を外すことは容易でなく、コストもかかる。また、分離した時にそれぞれの構成金属が付着したりするので、リサイクルの前に後処理を要する場合が生じる。自動車なども現在はできる限り異種金属継手を利用せず、同種金属継手を利用することで、スクラップにしている。ｈ車体の軽量化、低燃費化のためいもアルミニウムと鋼をハイブリッド構造体を利用することが限られている。

また、同時に環境問題として製品のリサイクル問題がある。使用済みの原子炉、船舶、自動車、電機製品、介護用ベット、事務機器などが解体もされずに、山積みされ、環境汚染の問題に発展している。中古車の山積みは良い例である。ますます、われわれの住む地球がこれらの使用済み構造物などで狭くなっている。これらの多くは部分的、または全面的に溶接構造が取られ、金属接合されていて、リサイクル性がないため、解体、分離、リサイクルが困難であり、解決すべき問題である。

本発明はこれらの問題を解決する方法として、リサイクル溶接継手を溶接部材の間に挟むことにより、バーナーなどで加熱するのみで容易に解体させる方法を発案したものである。すなわち、異種金属からなるリサイクル溶接継手を作成し、これを溶接構造物や部材の間に挟み、両端部をそれぞれの構造物に接合し移行継手として使用する。使用後はこの移行継手をバーナーやレーザなどで加熱することにより、ぜい性な金属間化合物を移行継手の異材接合界面に生じさせることにより、容易に解体する技術である。

すなわち、金属の溶接部材の間に延性・ぜい性変換可能な金属間化合物層を持つ異種金属溶接継手を設けることにより、この継手の解体、分離、リサイクルの時にその接合面をそれら金属の融点以下の温度の加熱によりぜい性金属間化合物層を数（２ないし５）ミクロンメータ以上の厚さで生じさせ、継手を容易に解体することができるリサイクル可能な移行継手（リサイクル溶接継手）を製造する方法およびこの移行継手（リサイクル継手）を利用する技術である。

金属溶接継手はほぼ永久的な継手として利用されてきた。本発明はこの考え方を覆すもので、金属溶接継手でもリサイクルを可能とする画期的なものである。すなわち、図１の異種金属の場合のリサイクル継手の構成に示すように，従来の溶接継手の間にリサイクル可能な溶接継手（移行継手と通常呼ばれる）を設けることにより、溶接製品のリサイクルが容易となり、使用している金属材料の回収・再利用が可能になる。また、図２は異種金属継手の間に挿入したリサイクル継手の構成を示す。同種の継手でもこのようにリサイクル継手を挿入することにより容易に溶接構造物や部材を分離し解体可能な継手にすることができる。
図１において▲１▼Ａ金属母材、▲２▼Ｂ金属母材、▲３▼Ａ金属、▲４▼Ｂ金属、▲５▼リサイクル継手接合部、▲３▼＋▲４▼＋▲５▼リサイクル溶接継手を示す。図２において▲６▼Ａ金属母材、▲７▼Ａ金属母材、▲８▼Ａ金属、▲９▼Ｂ金属、▲１０▼Ａ金属、▲１１▼異種金属継手接合部、▲８▼＋▲９▼＋▲１０▼＋▲１１▼リサイクル溶接継手を示す。

このリサイクル可能な金属継手としては、接合面に生成する金属間化合物の中でも、延性な化合物からぜい性な化合物に変換可能な金属の組合せを選んだ点が本発明のキーポイントである。すなわち、使用時は接合面に延性のある金属間化合物を生成しているか、金属結合をしており溶接製品として働き、使用後の廃棄時にこの異種金属継手を約４００から６５０℃に加熱することにより、ぜい性な金属間化合物に変換し、わずかな応力で破壊・分離が可能となるものである。

このような機能をもつ金属の組合せの例として、図３に示すようなアルミニウム（およびその合金）と鉄（およびその合金）の組み合わせがある。この状態図でもわかるように、鉄リッチのものからあげるとＦｅ_３Ａｌ，ＦｅＡｌ，Ｆｅ_２Ａｌ_５，およびＦｅＡｌ_３なる金属間化合物が生じうる。この内、Ｆｅ_３ＡｌおよびＦｅＡｌは図４に示すように圧縮試験において延性を示し、強度もたかい。これに対してＦｅ_２Ａｌ_５，およびＦｅＡｌ_３は図４に示すように延性をほとんど示さず、ぜい性な金属間化合物である。

先の図１に示す異種金属のリサイクル継手の構成例では、▲１▼Ａ金属母材と▲２▼Ｂ金属母材を接合する場合に▲３▼Ａ金属▲４▼Ｂ金属及び▲５▼リサイクル継手接合部からなるリサイクル溶接継手を利用すれば，使用後解体する際にこの▲３▼Ａ金属と▲４▼Ｂ金属及び▲５▼それらの接合部からなるリサイクル継手をバーナーなどで約４００から６５０℃に加熱すれば、ぜい性な金属間化合物が接合面に生成し、容易に解体できる。

図２のような同種金属継手の場合であっても▲１▼Ａ金属母材と▲２▼Ａ金属母材を接合する場合に▲３▼Ａ金属と▲４▼Ｂ金属、▲５▼Ａ金属および▲６▼それらの異種金属継手接合部からなるリサイクル溶接継手を構成しておけば、使用後に解体する際に、これらの▲３▼Ａ金属と▲４▼Ｂ金属、▲５▼Ａ金属および▲６▼それらの接合部をバーナーなどで約４００から ６５０℃に加熱すれば、ぜい性な金属間化合物が接合面に生成し、容易に解体できる。本権利はこのリサイクル継手の製作、利用および解体方法に関するものである。

すでに、申請者はレーザロール溶接について特許申請をしており，アルミニウムと鋼の健全な溶接継手の製作に成功しており、この継手を利用することでリサイクル継手も可能である。すでに泰山らはアルミニウムクラッド鋼を使用してその抵抗スポット溶接部の強度を測定している。それぞれの金属間化合物の機械的性質を測定し、結果として図４に示すようにアルミリッチのＦｅ_２Ａｌ_５やＦｅＡｌ_３などの化合物は脆いが、ＦｅＡｌやＦｅ_３Ａｌは比較的延性があることを明らかにしている。鉄−アルミの接合においてその接合界面の脆性な金属間化合物は機械的性質を悪化させ、引張強さを低下させ脆弱な破壊を導く。この知識を利用することにより、リサイクル溶接継手も可能となる。

ロール圧接、爆発圧接、拡散溶接、レーザロール圧接、摩擦溶接などで接合されたアルミニウム（その合金を含む）と鋼の異種金属継手の接合界面に、それら金属の融点以下の温度にガスバーナー、電気抵抗熱、アーク熱源、レーザビームや電子ビーム、プラズマ熱源などの加熱手段でアルミニウムー鋼異材金属継手のリサイクル継手などでは約４００℃〜６５０℃の温度に加熱保持することにより、その接合界面にぜい弱な金属間化合物層を数ミクロンから数１０ミクロンメータの厚さで生成させる冶金反応を利用して、この金属継手の接合界面をぜい弱な相に変換し、わずかな応力でこの継手を分離・解体する。

さらに、金属のろう付継手をそのろう材および母材の融点以下の温度にガスバーナー、電気的加熱、アーク熱源、レーザビームや電子ビームで加熱保持することにより、ろう材と母材金属との接合界面にぜい弱な金属間化合物層を数ミクロンメータ以上の厚さで生成させる冶金反応を利用することにより、強靱であったろう付継手をわずかな応力で分離・解体することもできる。そして、分離後、金属を選別してリサイクルさせる、再生することも可能である。

このように製造した移行継手（リサイクル継手）を持つ溶接部材をガスバーナー、電気抵抗熱、アーク熱源、レーザビームや電子ビームなどで加熱保持することにより、この移行継手を分離解体する方法またはこの移行継手で接合した溶接構造物または溶接部材を分離解体し、選別してリサイクルする方法をとれば、現在の環境問題も大きく改善できる。
このような構造物または部材としてはつぎのようなものが考えられる。
ａ 同種金属の構造体または異種金属継手を用いたハイブリッド構造体、
ｂ 同種および異種金属継手を用いたサンドウイッチパネルやテーラードブランク材
ｃ 同種金属または異種金属継手を用いたパネル、パイプ、容器およびフレーム材
ｄ ろう付継手を用いた同種金属亜田は異種金属による構造体

このようなリサイクル溶接継手が発明されたことにより、次のような効果が得られる。これまで、金属の溶接継手は半永久的に金属接合して利用され、利用後の解体は困難であったが、このような移行継手の利用により、ぜい性な金属間化合物の生成により金属継手の解体を容易にするとともに、その継手のリサイクル性を高めることが可能となる。

各種溶接製品をリサイクルできるようにすれば、再度、各種金属が再生され、地球資源の有効利用に大きく寄与する。現在、各種金属の特性を活かし利用しているが、これらを利用後に再利用できるので、限定された埋蔵量の各種金属を有効にいつまでも活用できる。具体的な方法としては、ロール圧接、爆発圧接、拡散溶接、レーザロール圧接、摩擦溶接などで接合された異種金属継手を両金属が形成するぜい弱な金属間化合物層が生成する融点以下の温度にガスバーナー、電気抵抗熱、アーク熱源、レーザビームや電子ビーム、プラズマ熱源などで加熱保持することにより、これら異なる母材金属の接合面にぜい弱な金属間化合物層を数ミクロンメータ以上生成させるという金属反応を利用して、それまで強靱であった異材溶接継手をぜい弱にし、わずかな応力で分離できる。

アルミニウム合金のような軽金属と高強度金属の接合やより耐食性のよい鋼のハイブリッド構造溶接体を容易に解体分離し、金属の選別が可能となり、これらのリサイクルを容易にする。よって、輸送機器などに適用すれば、その軽量化、低コスト化、およびリサイクル性の向上に大いに役立つ。
同種金属の溶接継手や溶接適用製品でもこのようなリサイクル溶接継手の利用で、使用後の解体、分離、リサイクルが容易になる。

各種溶接適用製品である自動車、船舶、建築物、橋梁、化学容器、パイプライン、化学プラント、ポンプ機器類の機械部品、電機製品、各種機械類などは溶接部を分離できなかったため、熱切断するか切断しないまま廃棄されていたが、リサイクル性を考慮して、製造できるので、これら溶接製品の解体、分離、選別、リサイクルが容易になる。また、解体を考慮する場合は、ボルトーナットのボルト結合、ネジ式リベット接合、ファスナー結合、木ネジ結合などの機械的結合に代わって、このリサイクル溶接継手を利用することも可能になる。

とくに、次のような構造体または部品に適用し、そのリサイクル性を大きく向上できる。
ａ．軽量ハイブリッド構造体
ｂ．テーラードブランク材（アルミー鋼突合せ継手）
ｃ．Ｔ継手（すみ肉継手）部材
ｄ．原子力プラントなどの被爆部材
ｅ．異種金属利用耐熱材
ｆ．化学汚染物体

環境問題として製品のリサイクル問題があるが、使用済みの原子炉、船舶、自動車、電機製品、介護用ベット、事務機器などに適用すれば、解体が容易となり、これらの放置、山積み、環境汚染の問題が解決できる。これらの使用済み構造物などの埋め立て問題も解決しやすくなるなどの効果が期待できる。

実施例として、自動車のドアパネルやフロントパネルなどへの応用や介護用ベットのスポット溶接継手部に応用が可能である。これらの溶接適用製品は軽量化、低コスト化、リサンクル性を考慮すると、アルミニウム合金と低炭素鋼の組み合わせが最適であり、これらのパネルの接合部にこのような移行継手を用いたり、直接、接合された異種（アルミニウムー鋼）金属継手を使用後、加熱ぜい化させることにより、自動車パネルのリサイクル性を著しく増す。

具体的な例として、ここでは、炭素鋼とアルミニウム合金の異種金属継手を利用した自動車フロントパネルの例を詳細に説明する。
図５の自動車フロントパネルへの応用例に示すように、▲１２▼炭素鋼板、▲１３▼リサイクル継手（斜線部）、▲１４▼アルミニュウムダンパー（衝撃エネルギー吸収板）から成る主フロントパネルは強度、コストを考えて低炭素鋼で製作し、衝突部は衝突の際のダメージを最小にするために鋳造アルミニウム合金でダンパーを造り、この両パネルの間に▲１３▼リサイクル溶接継手を設ける。このリサイクル溶接継手は炭素鋼とアルミニウム合金をレーザロール圧接または他の固相接合で製作したものを用いる。

廃車する際にはこの▲１３▼リサイクル継手部をバーナーなどで約４００から６５０℃に加熱すれば、ぜい性な金属間化合物が接合面に生成し、容易に解体できる。ぜい性な金属間化合物が数ミクロンメータ以上生成している継手は非常に脆く、軽くたたくのみで破壊する。バーナーの代わりにレーザにより、継手部を４００℃から６５０℃に加熱を加えてもてよいし、製品全体を加熱炉にいれて、加熱することもぜい化法として利用できる。

アルミニウム合金と炭素鋼の溶接部の再加熱実験ではアルミニウム側のほとんどの層にＦｅＡｌ_３、やＦｅ_２Ａｌ_５のような脆い金属間化合物が生成していた。その金属間化合物層の厚みは加熱条件により異なる。すでに、Ｆｅ−Ｃｕ，Ｆｅ−Ｔｉ，Ｆｅ−Ｃｕなどのレーザロール圧接継手の製作に成功しており、これらの異種金属継手を用いたリサイクル継手も可能である。なお、脆性な金属間化合物の生成は上昇した温度と保持時間の関係で制御できる。ロール圧接されたり、爆接されたアルミー鋼溶接継手をこのリサイクル溶接継手として用いることもできる。
本法では、またろう付されたアルミー鋼溶接継手をこのリサイクル溶接継手として用いることもできるろう材にぜい性な金属間化合物ができるようにアルミニウムと鉄の粉末を入れるなどすればよい。

本リサイクル溶接継手の接合界面制御法の原理はアルミニウムと鋼を例にとれば、図４の状態図に示されるように、４００℃〜６５０℃の温度範囲に加熱すれば、ぜい性な金属間化合物であるＦｅＡｌ_３またはＦｅ_２Ａｌ_５が生じて、継手の性質が著しく劣化することにある。逆に１１７０℃以上に加熱すれば、延性のあるＦｅＡｌになり、溶接継手として利用できることにある。この接合面での金属間化合物の変換を利用することに大きな特徴がある本発明である。

異種金属の場合のリサイクル継手の構成を示す図である。 同種金属の場合のリサイクル継手の構成を示す図である。 鉄とアルミニュウムの平衡状態図である。 鉄とアルミニュウムの歪−圧縮応力特性を示す図である。 自動車フロントパネルへのリサイクル継手の応用を示す図である。

Claims (8)

1. 金属の溶接継手の間に延性・ぜい性変換可能な金属間化合物層を持つ異種金属溶接継手を設けることにより、この継手のリサイクル等の時にその接合面をそれら金属の融点以下の温度の加熱によりぜい性金属間化合物層を数（２ないし５）ミクロンメータ以上の厚さで生じさせ、継手を容易に解体することができるリサイクル可能な移行継手（リサイクル溶接継手）を製造する方法およびこの移行継手（リサイクル継手）を利用する技術。
2. 「請求項１」に示される同種金属または異種金属溶接継手のリサイクル性を付与する目的で、鋼材（板、管、棒、形材）の間（接合面）に延性・ぜい性変換可能な金属間化合物層を融点以下の温度の加熱により生じさせることができるリサイクル継手として、レーザロール溶接やロール圧接などの固相接合された鋼とアルミニウムの異種金属溶接継手を異種継手の場合は図１のように非対称的に、同種継手の場合には図２のように対称的となる組合せで設けた移行継手（リサイクル溶接継手）を製造する方法およびこのリサイクル継手を利用する技術。
3. 「請求項１」に示す技術のうち、同種金属継手、異種金属継手およびろう付継手をそれら母材の融点以下の温度にガスバーナー、電気抵抗熱、アーク熱源、レーザビームや電子ビーム、加熱炉内などの加熱手段を用いて、加熱保持することにより、これら金属継手の接合界面にぜい弱な金属間化合物層を数ミクロンメータ以上の厚さで生成させる冶金反応を利用して、それまで強靱に接合されていた溶接継手の接合界面をぜい弱化して、わずかな応力で溶接物体を分離・解体する方法。
4. 「請求項１」に示す技術の中で、ロール圧接、爆発圧接、拡散溶接、レーザロール圧接、摩擦溶接などで接合されたアルミニウム（その合金を含む）と鋼の異種金属継手の接合界面に、それら金属の融点以下の温度にガスバーナー、電気抵抗熱、アーク熱源、レーザビームや電子ビーム、プラズマ熱源などの加熱手段でアルミニウム−鋼異材金属継手のリサイクル継手などでは約４００℃〜６５０℃の温度に加熱保持することにより、その接合界面にぜい弱な金属間化合物層を数ミクロンから数１０ミクロンメータの厚さで生成させる冶金反応を利用して、この金属継手の接合界面をぜい弱な相に変換し、わずかな応力でこの継手を分離・解体する方法。
5. 金属のろう付継手をそのろう材および母材の融点以下の温度にガスバーナー、電気的加熱、アーク熱源、レーザビームや電子ビームで加熱保持することにより、ろう材と母材金属との接合界面にぜい弱な金属間化合物層を数ミクロンメータ以上の厚さで生成させる冶金反応を利用することにより、強靱であったろう付継手をわずかな応力で分離・解体する方法。
6. 「請求項１」または「請求項２」で製造した移行継手（リサイクル継手）を持つ溶接継手をガスバーナー、電気抵抗熱、アーク熱源、レーザビームや電子ビームなどで加熱保持することにより、この移行継手を分離解体する方法またはこの移行継手で接合した溶接構造物または溶接部材を分離解体する方法。
7. 「請求項１」または「請求項２」の方法を用いて製造した移行継手（リサイクル継手）を金属構造物および溶接製品として上記「請求項３」、「請求項４」および「請求項５」に示す解体・分離する方法を利用すること。
8. 上記「請求項１」および「請求項２」の方法で製造した移行継手（リサイクル継手）を用いた次のような構造物または部材の製作
   ａ 同種金属の構造体または異種金属継手を用いたハイブリッド構造体、
   ｂ 同種および異種金属継手を用いたサンドウイッチパネルやテーラードブランク材
   ｃ 同種金属または異種金属継手を用いたパネル、パイプ、容器およびフレーム材
   ｄ ろう付継手を用いた同種金属亜田は異種金属による構造体

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