JP2001259858A - 接合型バルブシートの接合制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 接合工程中に、接合中の個々の製品に対し最
適な接合条件を自動的に設定し、一定の接合品質を得る
ことができる接合型バルブシートの接合制御方法を提供
する。 【解決手段】 電極７によりバルブシート素材６をシリ
ンダヘッド１のバルブポート４の開口端部５周縁部に押
圧し、該電極７に通電して前記バルブシート素材６を加
熱圧接してこれを前記バルブポート４の開口端部５周縁
部に接合する接合型バルブシートの接合制御方法におい
て、前記加熱圧接中に、接合条件となるパラメータのう
ち特定のパラメータについてその値またはその変化量を
検出し、その検出結果に応じて接合処理を変更する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、４サイクルエンジ
ンにおける接合型バルブシートの接合制御方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】４サイクルエンジンにおいては、燃焼室
に開口する吸気および排気用のバルブポートの周縁に
は、吸気および排気バルブがそれぞれ所定の適当なタイ
ミングで間欠的に着座するバルブシートが設けられる。
シリンダヘッドは通常アルミニウム合金によって形成さ
れ、バルブシートは耐摩耗性および高温強度に優れた鉄
系焼結合金などによって形成される。このバルブシート
は従来圧入によってシリンダヘッドに組み付けられてい
た。

【０００３】しかしながら、圧入型バルブシートは所定
の強度および剛性を確保する必要からその厚さが比較的
厚く、また所定の圧入代を要するためその高さ寸法も比
較的大きい。このため複数のバルブを備える多バルブエ
ンジンにおいては、バルブ間の距離が大きくなり、バル
ブの大径化による吸入ガス量の増大を充分図ることがで
きなかった。また、多バルブエンジンで極力バルブポー
ト同士を近接して配置すると、バルブシートを圧入した
ときにポート間にクラックが発生するという問題もあっ
た。

【０００４】また、バルブシートの材料となる鉄系焼結
材の熱伝導率は、シリンダヘッドの材料となるアルミニ
ウム合金に比べ低く、しかも、圧入構造ではこのバルブ
シートとシリンダヘッドとの間の界面に微小隙間が形成
されるため、熱抵抗が大きくなり、シリンダヘッドの冷
却性能が低下して異常燃焼やバルブ等の過度な温度上昇
を来すおそれがある。

【０００５】そこで、バルブシートを抵抗熱接合法等に
より加熱圧接させてシリンダヘッドのバルブポートに接
合する接合型バルブシートが本願出願人により種々提案
されている（例えば特開平１０−６１４１９号公報）。
この接合型バルブシートは、接合界面に固相拡散層を形
成するとともに、接合界面の少なくともシリンダヘッド
側に塑性変形層を形成することによりバルブシートをシ
リンダヘッドに金属学的に接合したものである。

【０００６】このような接合型バルブシートにおいて
は、圧入型バルブシートに比べ薄型化が図られるととも
に界面に隙間が形成されず熱伝達特性を向上させてシリ
ンダヘッドの冷却効率を高めることができる。

【０００７】エンジン生産工程において、このような接
合型バルブシートを多数のシリンダヘッドに対し接合す
る場合、抵抗溶接機等を用い製品の型式等に応じて電流
や通電時間あるいは加圧力等の接合条件を所定の値に設
定して一定の接合品質の製品を得ることが図られる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、抵抗溶
接機等を用いて多数のシリンダヘッドに対し抵抗加熱溶
接によりバルブシートを接合する場合、各シリンダヘッ
ドに対するバルブシートの位置ずれや加工精度のばらつ
き等により、製品ごとに及び１つの製品での各バルブシ
ートごとに接合品質にばらつきを生じるおそれがある。

【０００９】このため、製造後に検査工程を設けて接合
品質のばらつきが大きい場合には、ばらつきをなくすた
めの処理を施す必要がある。

【００１０】しかしながら、製造後に検査工程を設けて
ばらつきに対処することは面倒でありコスト増加の要因
となる。

【００１１】本発明は上記従来技術を考慮したものであ
って、接合工程中に、接合中の個々の製品に対し最適な
接合条件を自動的に設定し、一定の接合品質を得ること
ができる接合型バルブシートの接合制御方法の提供を目
的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明では、電極によりバルブシート素材をシリン
ダヘッドのバルブポートの開口端部周縁部に押圧し、該
電極に通電して前記バルブシート素材を加熱圧接してこ
れを前記バルブポートの開口端部周縁部に接合する接合
型バルブシートの接合制御方法において、前記加熱圧接
中に、接合条件となるパラメータのうち特定のパラメー
タについてその値またはその変化量を検出し、その検出
結果に応じてその後の処理を設定することを特徴とする
接合型バルブシートの接合制御方法を提供する。

【００１３】この構成によれば、個々のバルブシートの
接合処理中に、そのバルブシートについて所定のパラメ
ータの値あるいは変化量を検出し、これに応じて予め定
めてあるその検出値に対応した一定範囲内の接合品質と
なる処理条件となるようにその後の処理方法や処理条件
を変えることができる。このため、個々のバルブシート
やシリンダヘッドの加工精度や組立精度あるいやセット
位置等にばらつきがあってもこれらのばらつきをなくす
ような接合条件で処理することができ、常に一定の接合
状態のバルブシートが得られ一定の品質の製品が得られ
る。

【００１４】好ましい構成例では、前記接合条件となる
パラメータは、電流、電圧、加圧力、電極変位量、温度
および抵抗値を含み、前記検出結果に応じて前記パラメ
ータの何れかについてその設定量または処理時間をフィ
ードバック制御することを特徴としている。

【００１５】この構成によれば、抵抗溶接機の電極に通
電する電流、印加する電圧、電極をバルブシートに押し
当てる加圧力、電極を押し当てることによりバルブシー
トがシリンダヘッド側に沈み込む量である電極変位量、
接合部の抵抗発熱による温度、および接合部の抵抗値に
ついて、接合処理中にこれら全て又はその一部のパラメ
ータを検出して、これに基づきその検出したバルブシー
トのその後の処理についての処理条件を設定して一定品
質の接合バルブシートを得ることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態について説明する。図１は、本発明に係る接合型
バルブシートを形成するための抵抗溶接機の要部構成図
である。接合処理対象となるシリンダヘッド１が下側電
極を構成する受け台２上にセットされる。受け台２は基
台３上に搭載される。シリンダヘッド１は、そのバルブ
ポート（吸気ポート又は排気ポート）４の開口端部５の
開口面が水平（荷重Ｐの軸線Ｃに垂直）で且つ開口面の
軸線と荷重Ｐの軸線Ｃが一致するように受け台２上にセ
ットされる。開口端部５上にリング状のバルブシート素
材６がセットされ、円柱状の電極７の下端周縁部により
押圧される。電極７は電極取付け板８に固定され、絶縁
体９を介してロードセル１０から押圧荷重Ｐを受ける。

【００１７】バルブシート素材６をシリンダヘッド１に
接合処理する場合、ロードセル１０を駆動して電極７に
対し押圧荷重Ｐを付与してバルブシート素材６をバルブ
ポート４の開口端部５に押し当てる。この圧接状態で給
電装置１５から矢印Ｑのように電極７に通電（例えば正
電圧を印加）すると、電極７からバルブシート素材６を
介してシリンダヘッド１、受け台２および基台３を通っ
てアース側（負電圧側）に電流が流れる。このとき、バ
ルブシート素材６の接合界面の抵抗により、圧接部分が
発熱する。これにより、鉄系焼結材からなるバルブシー
ト素材６よりも硬度が低いアルミニウム合金からなるシ
リンダヘッド１が塑性変形してバルブシート素材６がシ
リンダヘッド１内に沈み込む。このとき、電流量や通電
時間等を制御して発熱温度を適当に設定することによ
り、接合界面で鉄原子とアルミニウム原子の固相拡散が
起きてバルブシート素材６とシリンダヘッド１同士が金
属学的に強固に接合される。

【００１８】バルブシート素材６が電極７により加熱圧
接されて押込まれシリンダヘッド１側に所定量だけ沈み
込んだ状態で通電を終了する。その後、バルブシート素
材６および押込まれてはみ出したシリンダヘッド母材部
分を機械加工により所定の形状に仕上げ加工することに
より、バルブポート開口部周縁に金属学的に接合された
接合型バルブシートが形成される。

【００１９】絶縁体９（又は電極取付け板８あるいはロ
ードセル１０）に、レーザ変位計あるいはその他機械式
または電気式の変位を検出するためのストロークセンサ
１１が装着される。このストロークセンサ１１により、
バルブシート素材６に荷重Ｐを付与したときの電極７の
変位量（沈み込み量）が検出されストローク信号が得
られる。

【００２０】ロードセル１０内に設けた図示しない荷重
センサ（又はロードセル１０の駆動信号）により、電極
７に対し付与した荷重Ｐを検出してその検出信号から
（あるいはロードセル１０の駆動信号から）荷重信号
が得られる。

【００２１】給電装置１５から、電極７に付与した電圧
信号が得られる。

【００２２】バルブシート素材６の装着部近傍には熱電
対等からなる温度センサ１２が設けられる。この温度セ
ンサ１２により、バルブシート素材６の接合界面部分に
おける抵抗発熱による温度が検出され温度信号が得ら
れる。

【００２３】電極取付け板８と基台３との間には抵抗検
出器１３が設けられる。この抵抗検出器１３により、バ
ルブシート素材６の接合界面の接触状態に基づく抵抗値
が検出され、抵抗信号が得られる。なお、この抵抗値
の検出は前記電圧信号と後述の電流信号からの演算
処理によっても得られる。

【００２４】シリンダヘッド１を支持する基台３に接続
する装置本体側に電流計１４が設けられる。この電流計
１４により、電極７からバルブシート素材６を通してシ
リンダヘッド１側に流れる電流値が検出され、電流信号
が得られる。

【００２５】これらの検出信号〜がバルブシート素
材６を接合するときの接合条件を定めるためのパラメー
タの検出信号となる。このような検出データは、各パラ
メータの履歴として接合処理の経時データとともにメモ
リに保存しておくことが望ましい。

【００２６】図２および図３は、接合条件となるパラメ
ータの検出信号波形の例を示す。図２はストローク信号
および電流信号の例を示し、図３は荷重信号と温
度信号の例を示す。本発明では、このような検出信号
に基づきリアルタイムで各パラメータをモニターしこれ
に基づいて接合条件をフィードバック制御する。

【００２７】図４は、このようなリアルタイムフィード
バック制御の一例を示すフローチャートである。

【００２８】まず、荷重信号をモニターしながらロー
ドセル１０（図１）により所定の荷重をかけたときの、
ある測定ポイントでの歪量および電極７の位置をストロ
ーク信号から検出して加圧力が電極に対し正常に作用
しているか否かを判別する（ステップＳ１）。正常に作
用していないときには、ワーク（シリンダヘッド１）の
セット状態や電極の摩耗等を確認して正常な状態にする
（ステップＳ２）。

【００２９】次に、温度信号から接合直前の電極温度
を検出し、電極温度が正常か否かを判別する（ステップ
Ｓ３）。既に温度が上昇しているときには常温に戻すた
めに冷却する（ステップＳ４）。

【００３０】次に、所定の電圧を印加したときの抵抗信
号（または電圧信号と電流信号）から接合界面の
抵抗値を検出する（ステップＳ５）。この抵抗値に基づ
いて接合電流の設定値を微調整して電圧印加により所定
の電流が流れるように最適接合電流パターンを設定する
（ステップＳ６）。この電流パターンに基づいて後述の
ように、通電時間が設定される。この抵抗値は接合中に
おいてもモニターして常に接合電流の微調整を行っても
よい。

【００３１】以上のステップにより接合準備が整い、接
合処理のための電極７への通電を開始する（ステップＳ
７）。通電開始後、所定時間（例えば０．５秒）経過後
に、ストローク信号から電極変位量（沈み込み量）ま
たはその変化量（沈み込み速度）を検出する（ステップ
Ｓ８）。

【００３２】この通電開始後０．５秒の時点で沈み込み
量あるいはその速度が大きければ、最終的な目標とする
一定の沈み込み量に達するまでの時間が短く、沈み込み
量あるいはその速度が小さければ、最終的な一定の沈み
込み量に達するまでの時間が長くかかることが予想され
る。したがって、この０．５秒時点での測定量に応じ
て、最終的な一定の沈み込み量の範囲内に入るように、
その後の通電時間を設定する（ステップＳ９）。この通
電時間は、予め０．５秒時点での沈み込み量あるいはそ
の速度に対応して最終的な一定範囲の沈み込み量が得ら
れる通電時間のデータを実験等により求めておき、この
データをマップ等に格納してそのマップを用いて演算処
理により通電時間を設定することができる。設定された
通電時間経過後に通電を終了する（ステップＳ１０）。

【００３３】通電終了後に、最終的な電極位置を検出し
て電極変位量が所定の範囲内か否かを判別し（ステップ
Ｓ１１）、所定の範囲に入っていなければ接合不良とし
てその後の処理を中止する（ステップＳ１２）。続い
て、電極温度を検出して所定の範囲内にあるか否かを判
別し（ステップＳ１３）、入っていなければ電極に何等
かの異常が発生しているものと判断してその後の接合処
理を中止する（ステップＳ１４）。

【００３４】電極変位量および電極温度が正常であれ
ば、正常に接合処理が行われた旨の表示をして（ステッ
プＳ１５）、接合の履歴データをメモリに格納し（ステ
ップＳ１６）、接合処理を終了する。

【００３５】図５は、実測通電時間と電極変位量につい
て、本発明の制御方法を開始する前と開始した後の検出
値を示すグラフである。制御開始前すなわち従来技術に
おいては、電極に印加する通電時間（◇印）を一定にし
て接合処理を行っている。このため、加工精度やセット
位置のばらつき等により電極変位量（×印）が大きくば
らついている。

【００３６】これに対し、本発明方法による制御開始後
には、前述のように、通電開始後に処理の途中で沈み込
み量を検出しこれに基づいて通電時間を制御するため、
図の実測通電時間は加工精度やセット位置のばらつきに
応じてこれらを相殺するようにばらつき、これにより、
ほぼ一定範囲内の電極変位量が得られる。

【００３７】なお、上記実施形態では、接合処理中に測
定するパラメータとして電極変位量を検出したが、これ
に限らず温度や電圧あるいは荷重等のパラメータの検出
データに基づいてこれに対応して最終的に目標とする接
合状態が得られるように接合条件を設定してもよい。こ
の場合、目標とする接合状態として所定の接合強度が得
られる接合状態として、予め各パラメータの検出値と接
合強度との関係を求めておき、そのデータに基づいて接
合条件を設定してもよい。

【００３８】また、設定する接合条件としては、上記実
施形態では通電時間を制御したが、電流値や電圧値ある
いは荷重等他のパラメータを設定してもよい。また、接
合中に加圧力や温度に異常があった場合には、接合処理
を中止する。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、個々
のバルブシートの接合処理中に、そのバルブシートにつ
いて所定のパラメータの値あるいは変化量を検出し、こ
れに応じて予め定めてあるその検出値に対応した一定範
囲内の接合品質となる処理条件となるようにその後の処
理を設定することができるため、個々のバルブシートや
シリンダヘッドの加工精度や組立精度あるいやセット位
置等にばらつきがあってもこれらのばらつきをなくすよ
うな接合条件で処理することができ、常に一定の接合状
態のバルブシートが得られ一定の品質の製品が得られ
る。この場合、製造後に面倒な検査工程を設けて接合プ
ロセスを修正することなく、製造中にリアルタイムで接
合パラメータをモニターしこれを接合条件の設定にフィ
ードバックして一定品質の製品を得ることができる。

【００４０】また、接合品質の検査を非破壊で且つ接合
工程中に行うことができ、歩留りの向上が図られる。さ
らに接合直後に自動的に品質の良否を判定でき品質判断
に対する信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明方法が適用される抵抗溶接機の要部構
成図。

【図２】 本発明に係るストローク信号と電流信号の波
形例のグラフ。

【図３】 本発明に係る荷重信号と温度信号の波形例の
グラフ。

【図４】 本発明方法の一例を示すフローチャート。

【図５】 通電時間と電極変位量について、本発明と従
来技術との相違を示すグラフ。

【符号の説明】

１：シリンダヘッド、２：受け台、３：基台、４：バル
ブポート、５：開口端部、６：バルブシート素材、７：
電極、８：電極取付け板、９：絶縁体、１０：ロードセ
ル、１１：ストロークセンサ、１２：温度センサ、１
３：抵抗検出器、１４：電流計、１５：給電装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｆ 1/24 Ｆ０２Ｆ 1/24 Ｓ // Ｆ１６Ｋ 1/42 Ｆ１６Ｋ 1/42 Ｚ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電極によりバルブシート素材をシリンダヘ
   ッドのバルブポートの開口端部周縁部に押圧し、該電極
   に通電して前記バルブシート素材を加熱圧接してこれを
   前記バルブポートの開口端部周縁部に接合する接合型バ
   ルブシートの接合制御方法において、 前記加熱圧接中に、接合条件となるパラメータのうち特
   定のパラメータについてその値またはその変化量を検出
   し、その検出結果に応じてその後の処理を設定すること
   を特徴とする接合型バルブシートの接合制御方法。
2. 【請求項２】前記接合条件となるパラメータは、電流、
   電圧、加圧力、電極変位量、温度および抵抗値を含み、
   前記検出結果に応じて前記パラメータの何れかについて
   その設定量または処理時間をフィードバック制御するこ
   とを特徴とする請求項１に記載の接合型バルブシートの
   接合制御方法。