JP2004114108A - Method and equipment for welding metallic member - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、自動車用エンジンおけるシリンダヘッドの給排気ポート部に環状バルブシート部材を接合する金属部材の接合方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、電極部の電気抵抗による発熱を用いて自動車用エンジンにおけるシリンダヘッドの給排気ポート部に環状バルブシート部材を接合する技術が実用化されている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
また、新たに接合するバルブシート部材の接合時の通電経路に既に接合されたバルブシート部材を含め、新たな接合時の抵抗発熱により既に接合されたバルブシート部材に焼戻しを行うことで硬さの上昇を抑える技術が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−263243号公報(図7)
【特許文献2】
特開平11−90653号公報(図20)
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記公報記載の技術では、約90kAの電流を通電させるため、高い発熱抵抗と強い磁界が発生する。そして、上記抵抗発熱が高いほど、通電停止と共に接合部位が急激に冷却されるため、バルブシート部材が焼入れされて硬さ(約Hv550)が増し、切削加工などの後工程での加工性が悪化し、切削工具などの摩耗も早まって生産性の低下やコスト高を招く。
【0005】
また、強い磁界の発生により磁性体であるバルブシート部材が磁化されると、金属紛などがバルブシート部材に付着し、エンジン作動時にバルブシート部材又はバルブが異常摩耗するなどの不具合が生じる。
【0006】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、バルブシート部材への金属粉の付着を防止し、更には、バルブシート部材の接合、焼戻し及び脱磁を同一の装置で行うことができ、生産性の低下や設備投資の増大を回避できる金属部材の接合方法及び装置を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決し、目的を達成するために、本発明の金属部材の接合方法は、電極部による通電及び押圧により電気抵抗で発熱させて磁性を有する第1金属部材を当該第1金属部材より融点の低い第2金属部材に接合する接合工程と、前記接合後に前記第1金属部材を脱磁する脱磁工程を備える。
【0008】
好ましくは、上記方法において、前記脱磁工程は、前記接合工程において通電した電流値より低く、且つ逆向きの電流を通電して再加熱する焼戻し処理を含む。
【0009】
好ましくは、上記方法において、前記接合工程は冷却液中で行われる。
【0010】
好ましくは、上記方法において、前記第1金属部材は鉄系のバルブシート部材であり、前記第2金属部材はアルミニウム合金製のシリンダヘッドである。
【0011】
本発明の金属部材の接合装置は、電極部による通電及び押圧により電気抵抗で発熱させて磁性を有する第1金属部材を当該第1金属部材より融点の低い第2金属部材に接合する接合手段と、前記接合後に前記第1金属部材を脱磁する脱磁手段とを具備する。
【0012】
好ましくは、上記装置において、前記脱磁手段は、前記接合手段によって通電した電流値より低く、且つ逆向きの電流を通電して再加熱する焼戻しを行う。
【0013】
【発明の効果】
以上説明のように、請求項1及び5の発明によれば、電極部による通電及び押圧により電気抵抗で発熱させて磁性を有する第1金属部材を当該第1金属部材より融点の低い第2金属部材に接合し、接合後に第1金属部材を脱磁することにより、第1金属部材への金属粉などの付着を抑制し、異常摩耗などの不具合を解消することができる。
【0014】
請求項2及び6の発明によれば、接合時に通電した電流値より低く、且つ逆向きの電流を通電して再加熱することにより、バルブシート部材の接合、焼戻し、及び脱磁を同一の装置で行うことができ、生産性の低下や設備投資の増大を回避できる。
【0015】
また、焼戻し処理により、接合時に焼入れされた第1金属部材の焼入れ硬化層が焼戻しされて硬さの上昇が抑えられる。
【0016】
請求項3の発明によれば、上記接合は冷却液中で行われることにより、第1金属部材が焼入れされやすい冷却液中での接合において焼戻しによる加工性の向上が顕著となる。
【0017】
請求項4の発明によれば、第1金属部材は鉄系のバルブシート部材であり、第2金属部材はアルミニウム合金製のシリンダヘッドであることにより、第1金属部材への金属粉などの付着が抑制され、バルブシート部材又はバルブの異常摩耗が防止できる。更に、バルブシート部材の接合、焼戻し及び脱磁を同一の装置で行うことができ、生産性の低下や設備投資の増大を回避できる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【0019】
尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。
【0020】
[金属部材の接合装置]
図1(a)は、本発明に係る実施形態の金属部材の接合装置(以下、接合装置という)の全体構成を示し、図1(b)は本発明に係る実施形態の金属部材の接合装置の電気的構成を示す図である。図2は、図1の接合装置の電極部の構成を示す断面図である。図3は、図1の接合装置により接合されるバルブシート部材とシリンダヘッドとの位置関係を示す断面図である。
【0021】
図1(a)において、接合装置1は、ベース11上に設けられた変圧器としてのトランス12と、トランス12の側方のベース11上に2次元方向に移動可能に設けられたステージ13とを備え、このステージ13上に保持された冷却液33で満たされた水槽14内部にシリンダヘッド15が配置される。
【0022】
また、トランス12の側方であってシリンダヘッド15の上方には、トランス12に対して電気的に接続された電気抵抗溶接ユニット16が設けられ、このユニット16の下部には加圧シリンダ17及びプラテン18を介して電極部19が取り付けられている。
【0023】
図1(b)に示すように、トランス12には電源ユニット41を介して電力が供給される。電源ユニット41は、例えば、交流200V電源42から供給される電力から電極部19に対して正方向に電流を流すための電荷を蓄積する第1コンデンサ43と、電極部19に対して負方向に電流を流すための電荷を蓄積する第2コンデンサ44と、これら第1コンデンサ43又は第2コンデンサ44とトランス12との接続を切り換えて互いに逆向きの電流を通電させると共に、電流の大きさをパルス幅によりコントロールする切換制御部45とを備える。
【0024】
切換制御部45は、操作部46により通電方向や電流の大きさが設定可能となっている。
【0025】
尚、説明の便宜上、接合時の電流の向きを正方向、脱磁処理時及び焼戻し時の電流の向きを負方向とする。
【0026】
また、上記電源ユニット41はコンデンサを用いた構成に代えて、交流通電により逆向きの電流を発生するように構成してもよい。
【0027】
上記電源ユニット41の切換制御部45は、図4〜図6を参照して後述するように、接合時には約90kA×1パルス(0.1〜0.6秒)のパルス電流(以下、接合電流という)を正方向に通電し、接合後、この接合電流より低い約30〜50kA×1〜5パルス(0.1〜3.0秒)のパルス電流(以下、再加熱電流という)を負方向(逆方向)に通電し、その抵抗発熱によりバルブシート部材20を再加熱することにより、バルブシート部材内部の硬化層を焼戻し処理する。この時、同時に接合時とは逆向きの磁界を発生させて磁化されたバルブシート部材20の磁力を緩和する(脱磁処理)。
【0028】
即ち、上記接合装置が電源ユニット41を備えることにより、バルブシート部材20の接合、焼戻し、脱磁を行う機能を併せ持つ構成となる。
【0029】
電極部19の下端部には、図2に示すように、環状のバルブシート部材20が図示しない磁石の磁力により着脱自在に保持される。上記シリンダヘッド15は、例えば導電性材料であるアルミニウム合金からなり、バルブシート部材は、例えば導電性材料である鉄系材料からなる焼結材である。
【0030】
図3に示すように、バルブシート部材20は非接合端面である上端面20aお及び内周部20bと、接合端面である2つのテーパ部20c,20dが形成された外周部とを有しており、上記水槽14内の冷却液33中でテーパ部20cを電極部19による押圧によりシリンダヘッド15のポート部15aの開口縁部15bに当接させ、且つ通電により発熱を集中させることによりシリンダヘッド素材を塑性流動させながら押し込む。
【0031】
図2に示すように、電極部19は、プラテン18の下部にボルト21aなどにより固定された筒状の電極チップホルダ21と、電極チップホルダ21の下端部に凸部螺合により固定された電極チップ22と、電極チップホルダ21の外周面を包囲するように設けられた筒状のカーテン部材23とを備える。
【0032】
電極チップホルダ21はクロム銅などの導電性材料から構成され、電極チップ22もクロムなどの導電性材料から構成されている。カーテン部材23は、電極チップホルダ21の外周面との間に下方に開口するカーテン通路23aを形成している。
【0033】
電極チップホルダ21の内部には、外部から導入された冷却液(工場水)をホルダの軸方向に流通させるための冷却液通路24と、電極チップホルダ21の外周面から冷却液通路24に冷却液を導入するための導入通路25と、この冷却液通路24から分岐して電極チップホルダ21の外周面とカーテン部材23との間のカーテン通路23aに連通する分岐通路26とが形成されている。
【0034】
また、電極チップ22の内部にも、電極チップホルダ21に装着された状態で冷却液通路24に連通するチップ内通路27が形成されている。
【0035】
冷却液通路24及びチップ内通路27には、導入通路25から5気圧程度の冷却液が導入されて電極チップ22を冷却する。また、分岐通路26からカーテン通路23aに流入する冷却液は電極チップ22の外周部及びバルブシート部材20の非接合端面側の接合界面近傍にカーテン状に均一に噴出され、冷却液33中で接合界面からバルブシート部材20の非接合端面又は電極チップ22の外周部に排出されるろう材及びシリンダヘッド素材からなるバリB1を冷却して、且つ吹き飛ばすことにより除去する。これにより、バリの電極部への付着を抑制して、電極部の寿命を延ばすことができる。
【0036】
電極チップ22は、バルブシート部材20の非接合端面である上端面20aに当接する当接部28と、この当接部28がバルブシート部材20の上端面20aに当接した状態で、バルブシート部材20の内周部20bの非接合端面側に隙間なく嵌合し、かつその接合端面側に向けてテーパ状に縮径して内周部20bとの間に隙間を形成する突出部29とを有する。
【0037】
この突出部29は、バルブシート部材20の内周部20bの非接合端面側に隙間なく嵌合することによりバルブシート部材20を電極チップ22に対して位置決めする。また、突出部29は、当接部28がバルブシート部材20の上端面20aに当接した状態で、バルブシート部材20の非接合端面とは反対側の接合端面から突出する突出長さに形成され、後述するように接合時に下方に出ていたバリB2をせき止めてバルブシート部材20の内周部20bと突出部29の外周部との間の隙間に流れ込ませ、バルブシート部材20の内周部20bと突出部29の外周部とを嵌合状態とする。
【0038】
図4は、シリンダヘッドとバルブシート部材との接合工程を説明する図である。図5は、接合工程(a)、脱磁工程(焼戻し処理)(b)において夫々通電されるパルス電流のパルス波形を示す図である。図6(a)は、接合工程における抵抗発熱により焼入れされたバルブシート部材の焼入れ硬化層を示し、図6(b)は、脱磁工程により焼戻しされたバルブシート部材の焼入れ硬化層を示す図である。
【0039】
接合工程においては、先ず、電極部19の電極チップ22で保持したバルブシート部材20をシリンダヘッド15のポート開口縁部15bに移動させ、予めろう材が被覆されたバルブシート20を、図4(a)に示す如く当接させる。
【0040】
次に、図4(b)に示す如く、電極チップ22の当接部28によりバルブシート部材20をポート開口縁部15bに対して押圧すると同時に通電させる。シリンダヘッド15のポート開口縁部15bとバルブシート部材20のテーパ部20cとの接合面には電気的な抵抗が存在するため、電極チップ22による押圧及び(パルス)通電によって当該接合面が加熱される。そして、この加圧と加熱とが継続されることにより、シリンダヘッド15のポート開口縁部15bの素材が塑性流動するので、バルブシート部材20は図4(b)の状態を経て図4(c)のようにシリンダヘッド15のポート部15aに埋没し、溶融拡散接合される。
【0041】
上記接合工程においては、図5の(a)に示す約90kA×1パルス(0.1〜0.6秒)の接合電流が正方向に通電される。
【0042】
上記接合工程の終了後、脱磁工程(焼戻し処理)として、図5の(b)に示す接合電流より低い約30〜50kA×1〜5パルス(0.1〜3.0秒)の再加熱電流を負方向に通電し、その抵抗発熱によりバルブシート部材20を再加熱することにより、バルブシート部材内部の硬化層を焼戻し処理する。
【0043】
上記焼戻し処理により、図6(b)に示すように、接合工程において焼入れされたバルブシート部材の焼入れ硬化層(図6(a))が焼戻しされて硬さの上昇が抑えられる。
【0044】
上記脱磁工程として、図5の(b)に示す再加熱電流を負方向に通電することにより、接合時とは逆向きの磁界を発生させて磁化されたバルブシート部材20の磁力を緩和する。
【0045】
上記実施形態によれば、バルブシート部材の接合、焼戻し及び脱磁を同一の装置で行うことができ、生産性の低下や設備投資の増大を回避できる。
【0046】
特に、本実施形態のようにバルブシート部材が焼入れされやすい冷却液中での接合では焼戻しによる加工性の向上が顕著となる。
【0047】
尚、上記実施形態で説明した脱磁処理は電気抵抗溶接の他、スポット溶接などにも適用でき、また、バルブシート部材の他にパワートレイン系の部材の接合時にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明に係る実施形態の金属部材の接合装置の全体構成を示し、(b)は本発明に係る実施形態の金属部材の接合装置の電気的構成を示す図である。
【図2】図1の接合装置の電極部の構成を示す断面図である。
【図3】図1の接合装置により接合されるバルブシート部材とシリンダヘッドとの位置関係を示す断面図である。
【図4】シリンダヘッドとバルブシート部材との接合工程を説明する図である。
【図5】接合工程(a)、脱磁工程(b)において夫々通電されるパルス電流のパルス波形を示す図である。
【図6】(a)は接合工程における抵抗発熱により焼入れされたバルブシート部材の焼入れ硬化層を示し、(b)は脱磁工程により焼戻しされたバルブシート部材の焼入れ硬化層を示す図である。
【符号の説明】
12 トランス
15 シリンダヘッド
18 プラテン
19 電極部
20 バルブシート部材
21 電極チップホルダ
22 電極チップ
23 カーテン部材
23a カーテン通路
24 冷却液通路
25 導入通路
26 分岐通路
28 当接部
29 突出部
33 冷却液
41 電源ユニット
42 電源
43 第1コンデンサ
44 第2コンデンサ
45 切換制御部
46 操作部
B1,B2 バリ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for joining a metal member to join an annular valve seat member to a supply / exhaust port portion of a cylinder head in an automobile engine, for example.
[0002]
[Prior art]
BACKGROUND ART Conventionally, a technique of joining an annular valve seat member to a supply / exhaust port portion of a cylinder head in an automobile engine using heat generated by electric resistance of an electrode portion has been put into practical use (for example, see Patent Document 1).
[0003]
In addition, the hardness of the newly joined valve seat members is increased by performing the tempering on the already joined valve seat members due to the resistance heat generated at the time of the new joining, including the already joined valve seat members in the energizing path at the time of joining the newly joined valve seat members. A technique for suppressing the rise has been proposed (for example, see Patent Document 2).
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2000-263243 A (FIG. 7)
[Patent Document 2]
JP-A-11-90653 (FIG. 20)
[Problems to be solved by the invention]
By the way, according to the technology described in the above publication, a high heating resistance and a strong magnetic field are generated because a current of about 90 kA is applied. And, the higher the resistance heat is, the more rapidly the joint portion is cooled together with the stop of energization, so that the valve seat member is quenched and the hardness (about Hv550) is increased, and the workability in the post-process such as cutting is deteriorated. However, wear of cutting tools and the like is also accelerated, leading to a decrease in productivity and an increase in cost.
[0005]
In addition, when a strong magnetic field is applied to magnetize the valve seat member, which is a magnetic material, metal powder or the like adheres to the valve seat member, causing problems such as abnormal wear of the valve seat member or the valve during operation of the engine.
[0006]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to prevent metal powder from adhering to a valve seat member, and furthermore, it is possible to perform joining, tempering and demagnetization of the valve seat member with the same apparatus. Another object of the present invention is to provide a method and an apparatus for joining metal members, which can avoid a decrease in productivity and an increase in capital investment.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, a method for joining metal members according to the present invention includes the steps of: heating a first metal member having magnetism by generating heat with electric resistance by energization and pressing by an electrode portion; A joining step of joining to the second metal member having a lower melting point; and a demagnetization step of demagnetizing the first metal member after the joining.
[0008]
Preferably, in the above method, the demagnetization step includes a tempering treatment in which a current value lower than a current value applied in the bonding step and a current in the opposite direction is applied to reheat.
[0009]
Preferably, in the above method, the joining step is performed in a cooling liquid.
[0010]
Preferably, in the above method, the first metal member is an iron-based valve seat member, and the second metal member is a cylinder head made of an aluminum alloy.
[0011]
The joining device for a metal member according to the present invention includes a joining unit that joins a first metal member having magnetism by generating heat with electric resistance by energization and pressing by an electrode unit to a second metal member having a lower melting point than the first metal member. And demagnetizing means for demagnetizing the first metal member after the joining.
[0012]
Preferably, in the above-mentioned apparatus, the demagnetizing means performs tempering by re-heating by supplying a current having a value lower than a current value supplied by the joining means and in a reverse direction.
[0013]
【The invention's effect】
As described above, according to the first and fifth aspects of the present invention, the first metal member having a magnetism and having a lower melting point than the first metal member is made to generate heat by electric resistance by energization and pressing by the electrode portion. By joining to the member and demagnetizing the first metal member after joining, adhesion of metal powder or the like to the first metal member can be suppressed, and problems such as abnormal wear can be eliminated.
[0014]
According to the second and sixth aspects of the present invention, the same device is used for joining, tempering, and demagnetizing the valve seat member by applying a current lower than the electric current applied at the time of joining and applying a current in the opposite direction to reheat. And a decrease in productivity and an increase in capital investment can be avoided.
[0015]
Further, by the tempering treatment, the quenched and hardened layer of the first metal member quenched at the time of joining is tempered to suppress an increase in hardness.
[0016]
According to the third aspect of the present invention, since the joining is performed in the coolant, the workability by tempering is remarkably improved in the joining in the coolant in which the first metal member is easily quenched.
[0017]
According to the invention of claim 4, since the first metal member is an iron-based valve seat member and the second metal member is a cylinder head made of an aluminum alloy, adhesion of metal powder or the like to the first metal member is achieved. Is suppressed, and abnormal wear of the valve seat member or the valve can be prevented. Furthermore, the joining, tempering, and demagnetization of the valve seat member can be performed by the same device, so that a decrease in productivity and an increase in equipment investment can be avoided.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0019]
The embodiment described below is an example as a means for realizing the present invention, and the present invention can be applied to a modification or modification of the following embodiment without departing from the gist thereof.
[0020]
[Metal member joining device]
FIG. 1A shows an overall configuration of a metal member joining apparatus according to an embodiment of the present invention (hereinafter, referred to as a joining apparatus), and FIG. 1B shows a metal member joining apparatus of an embodiment according to the present invention. FIG. 2 is a diagram showing an electrical configuration of the embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration of an electrode unit of the bonding device of FIG. FIG. 3 is a sectional view showing a positional relationship between a valve seat member and a cylinder head joined by the joining device of FIG.
[0021]
In FIG. 1A, a joining device 1 includes a
[0022]
Further, on the side of the
[0023]
As shown in FIG. 1B, power is supplied to the
[0024]
The switching
[0025]
For convenience of explanation, the direction of the current at the time of bonding is a positive direction, and the direction of the current at the time of demagnetization and tempering is a negative direction.
[0026]
Further, instead of the configuration using a capacitor, the
[0027]
As described later with reference to FIGS. 4 to 6, the switching
[0028]
That is, by providing the
[0029]
As shown in FIG. 2, an annular
[0030]
As shown in FIG. 3, the
[0031]
As shown in FIG. 2, the
[0032]
The
[0033]
Inside the
[0034]
Further, inside the
[0035]
A coolant of about 5 atm is introduced from the
[0036]
The
[0037]
The projecting
[0038]
FIG. 4 is a diagram illustrating a joining process of the cylinder head and the valve seat member. FIG. 5 is a diagram showing pulse waveforms of pulse currents respectively supplied in the joining step (a) and the demagnetizing step (tempering processing) (b). FIG. 6A shows a quenched hardened layer of the valve seat member quenched by resistance heating in the joining step, and FIG. 6B shows a quenched hardened layer of the valve seat member tempered by the demagnetizing step. It is.
[0039]
In the joining step, first, the
[0040]
Next, as shown in FIG. 4B, the
[0041]
In the bonding step, a bonding current of about 90 kA × 1 pulse (0.1 to 0.6 seconds) shown in FIG.
[0042]
After the completion of the joining step, a reheating of about 30 to 50 kA × 1 to 5 pulses (0.1 to 3.0 seconds) lower than the joining current shown in FIG. An electric current is applied in the negative direction, and the
[0043]
By the tempering process, as shown in FIG. 6B, the quenched and hardened layer (FIG. 6A) of the valve seat member quenched in the joining step is tempered to suppress an increase in hardness.
[0044]
In the demagnetization step, a reheating current shown in FIG. 5B is applied in the negative direction to generate a magnetic field in a direction opposite to that at the time of joining, thereby relaxing the magnetic force of the magnetized
[0045]
According to the above embodiment, the joining, tempering, and demagnetization of the valve seat member can be performed by the same device, and a decrease in productivity and an increase in capital investment can be avoided.
[0046]
In particular, in the joining in a cooling liquid in which the valve seat member is easily quenched as in the present embodiment, the improvement in workability by tempering becomes remarkable.
[0047]
The demagnetization treatment described in the above embodiment can be applied not only to electric resistance welding but also to spot welding and the like, and can also be applied to joining of a power train member in addition to a valve seat member.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a diagram illustrating an overall configuration of a metal member joining apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a diagram illustrating an electrical configuration of a metal member joining apparatus according to an embodiment of the present invention. is there.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration of an electrode unit of the bonding device of FIG.
FIG. 3 is a sectional view showing a positional relationship between a valve seat member and a cylinder head joined by the joining device of FIG. 1;
FIG. 4 is a diagram illustrating a joining process of a cylinder head and a valve seat member.
FIG. 5 is a diagram showing pulse waveforms of pulse currents respectively applied in a joining step (a) and a demagnetizing step (b).
6A is a diagram showing a quenched hardened layer of a valve seat member quenched by resistance heat generation in a joining process, and FIG. 6B is a diagram showing a quenched hardened layer of a valve seat member tempered by a demagnetizing process. .
[Explanation of symbols]
12
Claims (6)
前記接合後に前記第1金属部材を脱磁する脱磁工程を備えることを特徴とする金属部材の接合方法。A joining step of joining a first metal member having magnetism by generating heat with electric resistance by energization and pressing by the electrode portion to a second metal member having a lower melting point than the first metal member;
A method of joining metal members, comprising a demagnetization step of demagnetizing the first metal member after the joining.
前記接合後に前記第1金属部材を脱磁する脱磁手段とを具備することを特徴とする金属部材の接合装置。Joining means for joining a first metal member having magnetism by generating heat with electric resistance by energization and pressing by the electrode portion to a second metal member having a lower melting point than the first metal member;
And a demagnetizing means for demagnetizing the first metal member after the joining.
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