JP3849060B2 - セラミック板の取付け構造及びその方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアークスタッド溶接により金属母材などの表面に容易に取付けることができるセラミック板の取付け構造およびその方法に関する。具体的には、例えば以下のような装置の耐熱、耐磨耗、耐腐食用のライニングに関する。１）ダストやスラリーが高速で流れるようなブロワーやポンプのランナー、ケーシング、配管。２）集塵機や加熱炉の内面及びダクト類。３）粉粒塊等を運搬・貯蔵するためのホッパー、シュート類。４）腐食性のある気体や液体と接する配管や容器。５）アルミニウム、亜鉛、錫などの低融点金属やこれらの合金類を溶融して保持するための容器内面。
【０００２】
【従来技術】
従来、セラミックは金属母材を被覆して、金属母材の耐熱性、耐磨耗性、耐腐食性、耐溶損性を向上させる目的に使用されている。セラミック被覆層を金属母材上に形成する手段として各種の方法が提案されている。例えば、特開昭６２−２３６７７０号広報において、取付け孔を備えたセラミック板を金属板上に載置するとともに、上記取付け孔中には、先端に抵抗溶接するための突起を一体的に設けた固定ピンを挿入し、該固定ピンの突起を上記金属板に対し押圧しつつ固定ピンと金属板間に通電し、当該固定ピンを金属板に溶着してセラミック板を金属板に固定する方法が提案されている。この方法では、通電電極を固定ピン上面に押圧する際、完全な密着が困難であり、通電電流が安定せず固定ピンと金属版との溶着が不完全であった。また、天井面や側面にセラミック板を取付ける際は、固定ピンとセラミック板を補助的に押さえておく必要があり作業性が悪かった。またセラミック板の表面に固定ピンが露出するため、固定ピンが先に摩耗し、セラミック板が金属板から剥離する原因となっていた。また、セラミック板の表面に固定ピンを挿入するための開孔部は、セラミック板の強度低下、開孔部周辺の割れ、ダストカットの問題があった。特開平６３−１７１２７３号広報では上記作業性を改善した方法が提案されている。縮径部を備えたピン部をフランジ部に取付け、該ピン部をスタッド溶接用ガンで把持するので片手作業が可能となり作業性が向上する。また、スタッド溶接後、残留物であるセラミックピース表面上に突出しているピン部を簡単に除去するため、スタッド溶接後電流値を更に高めて抵抗値の高い縮径部を発熱させピンを破断する方法が提案されている。しかし、この構造のセラミックピースにおいては、耐磨耗性のないピンがセラミックピースの表面に露出しているため、この露出部分から摩耗が進行し、最終的にスタッド溶接部分に到達し、セラミックピースが金属母材から剥離する原因となっていた。この問題を解決するため、特開平８−３００１５３号広報や特開平８−３００１５４号広報において耐摩耗性のある超硬ピンをセラミックピース本体上に突出させる構造を提案している。この方式では超硬ピンが通電用のピンを兼用しており、超硬ピンをスタッド溶接ガンで把持するとともに通電できるので、施工性や溶接性が向上できる。またセラミックピース本体表面には超硬が露出しているので耐摩耗性もあり、ピン部分が摩耗して金属母材から剥離することは解消できる。しかし、スタッド溶接後セラミック板の表面に突出している余分な超硬ピンを除去する際ピンを打撃するので、衝撃力でセラミックピースが金属母材から剥離する場合があった。また、超硬ピンを残しておくとブロワーランナの場合などはダストが付着して効率低下を招いていた。このため、セラミックピース本体上部に除去困難なスタッド溶接用ピンを残さない方法として、特開平９−１４１４４２号広報において、セラミックピース本体に超硬または通電性セラミックなどからなって上部が平面となった耐摩耗性導電材を固定配置するとともに、下端に溶接突起を有した金属体を挿入配置し、前記耐摩耗性導電材と前記金属体とを電気的に接合した溶接取付け型セラミックピースが提案されている。この方法によれば、セラミックピース本体表面には通電性があり、しかも耐摩耗性のある超硬や導電性セラミックが露出しているので耐摩耗性は向上する。しかし、超硬や通電性セラミックは導電性が悪く安定したスタッド溶接ができなかった。特開昭６３−２３５６９９号広報では、羽根車表面に断面逆台形の係合突起を突設させ、セラミック板に前記係合突起に係合する凹溝を設け、この凹溝を前記係合突起に順次係合する方法が提案されている。この方法では、セラミック板が部分的に剥離した場合、羽根車の係合突起が磨耗してセラミック板の再取付けができない問題があった。また、逆台形の構造ではセラミック板の保持力が小さかった。特開平３−１６９４７５号広報では、セラミック板を金属ケースで包み、金属ケースを金属母材にスタッド溶接してセラミック板を固定する方法が提案されている。この方法では、セラミック板の側面に金属が露出しているので、ブロワーランナーやケーシング等をライニングした場合は、ダストカットで金属ケースが磨耗し、セラミック板を保持できなくなっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとしている課題】
以上述べたように、セラミック板を金属母材に取付ける際の従来の問題点を整理すると次のようになる。即ち、１）溶接性は良いが耐摩耗性のない固定ピンがセラミック板の表面に露出しているがために、固定ピンがセラミック板より先に摩耗してセラミック板が金属母材から剥離する。２）超硬のような耐摩耗性のある固定ピンの場合、セラミック板表面に金属部分が露出してダストが付着したり、金属が腐食してセラミック板を保持できなくなる。３）セラミック板表面に固定ピンを挿入するための開孔部を設けると、セラミック板の強度低下や、孔周辺の割れ、ダストカットの原因となる。４）通電用且つ把持用の突起のない平滑な超硬や通電性セラミックを通して固定ピンに通電する場合、導電性が悪く適正な電流を供給できず完全なスタッド溶接ができない。５）金属ケースでセラミック板を保持する方法では金属ケースが磨耗しやすい。６）金属母材に係合突起を設ける方法では、セラミック板が割れて剥離したとき係合突起が磨耗するので、再度セラミック板をつけられなくなる。即ち、補修が不可能となる。本発明は、これらの課題を解決するためのものであり、以下の実現を図るものである。１）セラミック板表面にセラミック板を取付けるための開孔部を無くし、平滑面にして、ダストカットやダスト付着を防止する。２）セラミック板が割れて剥離した際、セラミック板の再取付けを可能とする。３）セラミック板を保持するための金属の固定ピンが磨耗しない構造とする。４）スタッド溶接時の通電性を向上させ安定したスタッド溶接を可能にする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を実現するための手段を請求項に従い説明する。請求項１記載のセラミック板の取付け構造と方法は、セラミック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期凹溝の底部間に金属薄板を挟みこんで、該金属薄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、セラミック板を金属母材に固定する方法である。請求項２記載のセラミック板の取付け構造と方法は、前記セラミック板の前記凹溝の空隙に、該凹溝部の横断面形状と略相似の断面形状を有するセラミック充填材を挿入する方法である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明する。
【図１】〜
【図７】は本発明の請求項１の実施形態に係る図である。
【図８】と
【図９】は本発明の請求項２の実施形態に係る図である。
【図１】はセラミック板の組立図であり、部分断面部を斜線で示している。
【図２】はセラミック板の斜視図である。
【図３】はスタッド溶接ピンの斜視図である。
【図４】は通電用の金属薄板の斜視図である。
【図５】はセラミック板を金属母材の上においてスタッド溶接する直前の状態であり、セラミック板の凹溝の縦方向断面図である。
【図６】はセラミック板を金属母材の上においてスタッド溶接する直前の状態であり、セラミック板の凹溝の横方向断面図である。
【図７】はセラミック板を金属母材に溶接固定している状態であり、セラミック板の凹溝の縦方向断面図である。
【図８】はセラミック板を金属母材に溶接固定して、凹溝の空隙に該凹溝の横断面形状と略相似の断面形状を有するセラミック蓋を挿入した状態であり、凹溝の縦方向断面図である。
【図９】は前記凹溝の横断面形状と略相似の断面形状を有するセラミック充填材の斜視図である。請求項１記載のセラミック板の取付け構造と方法は、セラミック板１に受け座１ａを有するＴ字型断面の凹溝２を設け、該凹溝２にフランジ３ａ付きスタッド溶接ピン３を挿入し、該スタッド溶接ピン３と前記凹溝２の底部１ｂ間に金属薄板４を挟みこんで、該金属薄板４を通して前記スタッド溶接ピン３に通電して、該スタッド溶接ピン３を金属母材５にスタッド溶接して、セラミック板１を金属母材５に固定する方法である。
【図２】において、セラミック板１の材質としてはアルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、サイアロンなどが使用できる。セラミック板１の厚みは１．０〜５０．０ｍｍが良い。１．０ｍｍより薄いと凹溝を形成できなくなる。５０．０ｍｍより厚いとセラミック板１の耐摩耗性からみて経済的でない。望ましくは３．０〜２０，０ｍｍである。セラミック板１の面寸法は５．０〜２００．０ｍｍの正方形、長方形、三角形が良い。５．０ｍｍより小さいと単位面積当たりの枚数が多くなり、スタッド溶接作業が増え作業効率が低下する。２００．０ｍｍより大きいとスタッド溶接ピン３では不安定となり固定できなくなる。望ましくは１０．０〜１００．０ｍｍである。
【図３】において、スタッド溶接ピン３の材質としてはＪＩＳ Ｇ３１０１，Ｇ３１０３等の構造用炭素鋼やＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のステンレス系やチタン等が使用できる。スタッド溶接ピン３は旋盤などで切削したり、プレス成形等により一体的に形成している。スタッド溶接ビン３にはフランジ３ａ、溶接突起３ｂが付いている。スタッド溶接ピン３の胴部３ｃの径は、セラミック板１の寸法によって選択されるが、１．０〜２０．０ｍｍが良い。１．０ｍｍより細いと接合強度が小さくセラミック板を１保持できない。２０．０ｍｍより大きいとスタッド溶接の作業性が悪くなる。望ましくは３．０〜１０，０ｍｍである。フランジ３ａの厚みは、セラミック板１の寸法によって選択されるが、０．１〜１０．０ｍｍが良い。０．１ｍｍより薄いとセラミック板１の保持強度が小さい。１０．０より大きいとセラミック板１の凹溝２が大きくなり、セラミック板の強度が低下する。フランジ３ａの面寸法は、セラミック板の寸法によって選択されるが、２．０〜５０．０ｍｍの長方形、正方形、三角形、円形、あるいは円形の２箇所もしくは４箇所を切り落とした形状がが良い。２．０ｍｍより小さいとセラミック板１の保持強度が小さい。５０．０より大きいとセラミック板１の凹溝２が大きくなり、セラミック板１の強度が低下する。望ましくは３．０〜２０．０ｍｍである。溶接突起３ｂの径は、０．３〜１．０ｍｍが良い。０．３ｍｍより小さいと、金属母材５に押付けたとき座屈する。１．０ｍｍより大きいとアーク不良となる。望ましくは０．５〜０．８ｍｍである。溶接突起３ｂの長さは、０．３〜１．０ｍｍが良い。０．３ｍｍより小さいとアーク不良となる。１．０ｍｍより長いと金属母材５に押付けたとき座屈する。望ましくは０．５〜０．８ｍｍである。
【図４】において、金属薄板４の材質としては通電性の良い銅、銅合金、鉄、チタン、銀、金が使用できる。金属薄板４の厚みは０．１〜３．０ｍｍが良い。０．１ｍｍより薄いと通電性が悪く、スタッド溶接不良となる。３．０ｍｍより厚いと凹溝２の空隙２ｃが大きくなり、セラミック板１の強度が低下する。金属薄板４の幅は２．０〜２０．０ｍｍが良い。２．０ｍｍより小さいと通電性が悪くなり溶接不良となる。２０．０ｍｍより大きいとスタッド溶接ガンの電極棒７より大きくなる。望ましくは３．０〜１０．０ｍｍである。
【図５】は、セラミック板１の凹溝２の縦方向断面図であり、セラミック板１を金属母材５の上に置いて、金属薄板４をスタッド溶接ガンの電極棒７とセラミック板１の表面に挟んで、スタッド溶接する直前の状態である。スタッド溶接ガンの電極棒７と金属薄板４及び金属薄板４とスタッド溶接ピン３は接触状態にある。
【図６】は、セラミック板１の凹溝２の横方向断面図であり、セラミック板１を金属母材５の上に置いて、金属薄板４をスタッド溶接ガンの電極棒７とセラミック板１の表面に挟んで、スタッド溶接する直前の状態である。スタッド溶接ガンの電極棒７と金属薄板４及び金属薄板４とスタッド溶接ピン３は接触状態にある。
【図７】は、セラミック板１の凹溝２の縦方向断面図であり、セラミック板１を金属母材５に溶接固定している状態である。スタッド溶接ピン３のフランジ３ａがセラミック板１の受け座１ａを押さえるので、セラミック板１は金属母材５に強固に固定される。
【図８】は、セラミック板１の凹溝２の縦方向断面図であり、セラミック板１を金属母材５に溶接固定して、凹溝２の空隙２ａに該凹溝２の横断面形状と略相似の断面形状を有するセラミック充填材６を挿入した状態を示している。
【図９】は、凹溝２の横断面形状と略相似の断面形状を有するセラミック充填材６である。凹溝２に充填材６を充填する場合は、脱落やガタ防止のために有機系や無機系の接着剤を塗布するのが望ましい。また、接着剤を介して受け座１ａと充填材６が結合することにより受け座１ａを補強する効果もある。スタッド溶接ピン４を金属母材５にスタッド溶接する条件としては、次のような設定範囲が可能である。電流値 １０００〜２００００Ａ（４０００〜６０００Ａが最適）。電圧 １００〜３００Ｖ（１５０〜１８０Ｖが最適）。
通電時間 ０．１〜１．０秒
【０００６】
【発明の作用】
耐摩耗性や耐腐食性のない固定ピンがセラミック板の表面やセラミック板の側面に露出していないので、固定ピンが摩耗したり、腐食したりしてセラミック板が金属母材から剥離することはない。セラミック板の表面は平滑であり、固定ピンとセラミック板の開孔部の隙間にダストが付着したり、開孔部周辺の局部的なダストカットを受ける事がない。銅などの金属薄板をスタッド溶接ガンの電極棒とスタッド溶接ピンで押さえつけるので通電性が良く、信頼性の高いスタッド溶接ができる。セラミック板が割れて剥離した場合は、金属母材に残留しているスタッド溶接ピンをペンシルグラインダ等で除去して、新しいセラミック板を容易にスタッド溶接できる。
【０００７】
【発明の効果】
セラミック板を長期に渡り金属母材に固定できるので設備寿命が長くなる。ダストが付着したり、局部的なダストカットによる磨耗が無いので、定期的なダスト落しなどの清掃や部分補修が不要である。スタッド溶接ピンが表面に全く露出しないので腐食性環境でも使用できる。スタッド溶接の信頼性が高く、作業性も良いので、工期が短縮できる。セラミック板が局部的に割損しても部分補修が容易であり、短時間の設備休止で復旧できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は本発明の請求項１の実施形態に係るセラミック板の組立図であり、部分断面部を斜線で示している。
【図２】はセラミック板の斜視図である。
【図３】はスタッド溶接ピンの斜視図である。
【図４】は通電用の金属薄板の斜視図である。
【図５】はセラミック板を金属母材の上においてスタッド溶接する直前の状態であり、セラミック板の凹溝の縦方向断面図である。
【図６】はセラミック板を金属母材の上においてスタッド溶接する直前の状態であり、セラミック板の凹溝の横方向断面図である。
【図７】はセラミック板を金属母材に溶接固定している状態であり、セラミック板の凹溝の縦方向断面図である。
【図８】はセラミック板を金属母材に溶接固定して、凹溝の空隙に該凹溝の横断面形状と略相似の断面形状を有するセラミック蓋を挿入した状態であり、凹溝の縦方向断面図である。
【図９】は前記凹溝の横断面形状と略相似の断面形状を有するセラミック充填材の斜視図である。
【符号の説明】
１ セラミック板
１ａ 受け座
１ｂ 底
２ 凹溝
２ａ 空隙
３ スタッド溶接ピン
３ａ フランジ
３ｂ 溶接突起
３ｃ 胴部
４ 金属薄板
５ 金属母材
６ 充填材
７ スタッド溶接ガンの電極棒

Claims (2)

1. セラミック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薄板を挟みこんで、該金属薄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、セラミック板を金属母材に固定する事を特徴とするセラミック板の取付方法。
2. 前記セラミック板の前記凹溝の空隙に、該溝部の横断面形状と略相似の断面形状を有するセラミック充填材を挿入したことを特徴とする請求項１記載のセラミック板の取付け方法。

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