JP2004218447A - クローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法およびクローズドデッキ型シリンダブロック - Google Patents

Abstract

【課題】品質および耐久性に優れたクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法およびクローズドデッキ型シリンダブロックを提供する。
【解決手段】オープンデッキ型シリンダブロック２のウォータジャケット４の上端部に、ブリッジ母材７の表面を軟質な被覆材８で被覆したブリッジ材５を圧入した後、オープンデッキ型シリンダブロック２とブリッジ材５との接合部を電子ビーム９により溶接してクローズドデッキ型シリンダブロック１を製造する。圧入の際に被覆材が容易に塑性変形して圧入抵抗が緩和され、シリンダブロック１側に発生する残留応力が軽減される。また、接合部を電子ビーム溶接により溶接するので、圧入領域全体に亘って溶接でき、かつ溶接による溶融・凝固収縮のよってシリンダブロック１にはブリッジ材５の圧入時とは逆方向の応力が発生するので、残留応力が解消される。
【選択図】 図８

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンのシリンダブロックおよびその製造方法に関し、詳しくは、オープンデッキ型シリンダブロックのウォータジャケット上端部にブリッジ材を接合して形成されたクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法およびクローズドデッキ型シリンダブロックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法として、オープンデッキ型シリンダブロックのウォータジャケットの上端部に、ウォータジャケットの幅よりも狭い幅を有するブリッジ材を収納した後、トップデッキから所定寸法離れたウォータジャケットの両側壁とブリッジ材の両側壁との間隙の下部にロウ材を挿入し、その後、ウォータジャケットの両側壁とブリッジ材の両側壁とをトップデッキ側からレーザ溶接することにより、ブリッジ材の下部側壁をロウ付けにより接合し、上部側壁をレーザ溶接により接合してクローズドデッキ型シリンダブロックを製造するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、他の製造方法として、オープンデッキ型シリンダブロックのウォータジャケットのブリッジ材接合部に超音波振動を印加して亜鉛合金はんだ層を形成すると共に、ブリッジ材にも同様に亜鉛合金はんだ層を形成し、その後、ブリッジ材を所定の加圧力でブリッジ材接合部に挿入し、続いてブリッジ材接合部の周囲を一様に加熱すると共に、ブリッジ材を加圧しながら超音波振動を印加することにより、ブリッジ材をブリッジ材接合部に接合してクローズドデッキ型シリンダブロックを製造するようにしたものも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
さらに他の製造方法として、オープンデッキ型シリンダブロック及び低融点合金を付着したブリッジ材を加熱した状態で、ブリッジ材をウォータジャケット上端部に押し込んだ後、パンチにより凹状を塑性変形させたり、ブリッジ材を塑性流動させながら圧入したりして、シリンダブロックとブリッジ材とを塑性流動拡散接合し、その後、シリンダブロック全体を加熱してクローズドデッキ型シリンダブロックを製造するようにしたものも知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−１０３０６４号公報（段落０００５〜００１０、図１、図２）
【特許文献２】
特開平９−２８０１０２号公報（段落００３１）
【特許文献３】
特開平１１−２３６８５０号公報（段落０００７〜００１５）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に開示の製造方法にあっては、レーザ溶接を施すため、溶け込み深さが浅く、かつ溶接線幅が太くなる。このため、シリンダブロックへの熱影響が大きくなって、シリンダブロックの内部欠陥が加熱により体積膨張して表面が膨れる、いわゆるブリスタが発生し、品質が低下することが懸念される。
【０００７】
また、特許文献２や特許文献３に開示の製造方法にあっては、図１１に示すように、シリンダブロック５１のウォータジャケット５２の上端部にブリッジ材５３を圧入するため、ブリッジ材５３の圧入の際にシリンダブロック５１側に矢印で示すような残留応力が発生する。このため、歪等が発生してシリンダボア５４の真円度が低下し、シリンダブロック５１の耐久性が低下する恐れがある。特に、シリンダブロック５１を薄肉化すると、残留応力および歪の発生が顕著になる。また、シリンダブロック５１を加熱するため、ブリスタが発生して品質が低下することも懸念される。
【０００８】
従って、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、品質及び耐久性に優れたクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法およびクローズドデッキ型シリンダブロックを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する請求項１に記載のクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法の発明は、オープンデッキ型シリンダブロックのウォータジャケット上端部に、ブリッジ母材の表面を軟質な被覆材で被覆したブリッジ材を圧入した後、上記オープンデッキ型シリンダブロックと上記ブリッジ材との接合部を電子ビーム溶接により溶接してクローズドデッキ型シリンダブロックを製造することを特徴とする。
【００１０】
請求項１の発明によると、軟質な被覆材で被覆したブリッジ材を圧入するので、圧入の際に被覆材が容易に塑性変形してある程度外部に押出されて圧入抵抗が緩和され、圧入後にシリンダブロック側に発生する残留応力が軽減される。しかも、圧入後、接合部を電子ビーム溶接により溶接するので、ブリッジ材をウォータジャケットの両側壁に圧入領域の必要一部または全体に亘って溶接でき、十分な接合強度が得られると共に、溶接による溶融・凝固収縮のよってシリンダブロックにはブリッジ材の圧入時とは逆方向の応力が発生するので、残留応力が解消され、歪等が発生することもなくなり、シリンダボアの真円度を確保することができる。従って、シリンダブロックを薄肉化しても耐久性に優れたクローズドデッキ型シリンダブロックを製造することが可能となる。また、電子ビーム溶接は、その溶接線幅が狭いことからブリスタの発生を確実に抑えることができるので、高品質のクローズドデッキ型シリンダブロックを製造することが可能となる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１のクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法において、上記被覆材の厚さを、上記電子ビーム溶接による溶接線幅よりも薄くしたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明によると、被覆材の厚さが電子ビーム溶接の溶接線幅よりも薄いので、溶接部の組成をシリンダブロック材の組成物と、ブリッジ母材の組成物と、被覆材の組成物との混合組成とすることができて、局所的な強度低下を防止することが可能となる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２のクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法において、上記ブリッジ母材として、固溶強化型合金を用いることを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明によると、ブリッジ母材が固溶強化型合金からなるので、溶接部の強度低下を防止することが可能となる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項３のクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法において、上記固溶強化型合金としてＡｌ−Ｍｇ系合金展伸材を用い、上記オープンデッキ型シリンダブロックとしてＡＤＣ１２で鋳造したものを用いることを特徴とする。
【００１６】
請求項４の発明によると、オープンデッキ型シリンダブロックがＡＤＣ１２で鋳造され、ブリッジ母材をＡｌ−Ｍｇ系合金展伸材とすることで、溶接部の硬度低下を防止できると共に、入手し易くかつ安価な材料を選定でき、製造コストの低減を図ることが可能となる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項４のクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法において、上記Ａｌ−Ｍｇ系合金として、Ｓｉ；０．３〜０．４５質量％、Ｆｅ；０．４０〜０．５０質量％、Ｃｕ；０〜０．１質量％、Ｍｎ；０．１０〜０．７質量％、Ｍｇ；３．１〜５．６質量％、Ｃｒ；０．１５〜０．２５質量％、Ｚｎ；０．１０〜０．２５質量％、Ｔｉ；０〜０．２質量％、残部をＡｌとする合金を用いることを特徴とする。
【００１８】
請求項５の発明によると、ブリッジ材の強度をＡＤＣ１２からなるシリンダブロック材と同等にすることができ、より品質の安定したクローズドデッキ型シリンダブロックを製造することが可能となる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法において、上記被覆材として、Ｓｉ；０．２５質量％以下、Ｆｅ；０．３５質量％以下、Ｃｕ；０〜０．０５質量％以下、Ｍｎ；０．０３質量％以下、Ｍｇ；０．０３質量％以下、Ｚｎ；０．０５質量％以下、Ｔｉ；０．０３質量％以下で、Ａｌが９９．６０質量％以上の工業用純Ａｌを用いることを特徴とする。
【００２０】
請求項６の発明によると、工業用純Ａｌは入手し易くかつ安価であるので、製造コストの低減を図ることが可能となり、特にブリッジ母材が請求項５のＡｌ−Ｍｇ系合金からなる場合は、ブリッジ母材に工業用純Ａｌを被覆したものを極めて簡便な間接押出しにより生産でき、これを所定の長さに切断してブリッジ材として用いることができるので、よりコストダウンを図ることが可能となる。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法において、上記ブリッジ材を室温または加熱した状態で、上記ウォータジャケットの上端部に圧入することを特徴とする。
【００２２】
請求項７の発明によると、ブリッジ材を室温状態としてウォータジャケットの上端部に圧入することで、簡易に圧入できる。また、ブリッジ材を加熱してウォータジャケットの上端部に圧入すれば、よりスムーズに圧入でき、圧入後にシリンダブロック側に発生する残留応力をより軽減することが可能となる。
【００２３】
請求項８に記載のクローズドデッキ型シリンダブロックの発明は、請求項１〜７の製造方法により製造され、上記ブリッジ材が上記ウォータジャケットの両側壁に圧入領域の必要一部または全体に亘って溶接されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項８の発明によると、クローズドデッキ型シリンダブロックが請求項１〜７の製造方法によって製造されて、ブリッジ材がシリンダブロックに確実に溶接されるので、品質および耐久性を向上することが可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図１０を参照して説明する。
【００２６】
図１および図２は本発明によるクローズドデッキ型シリンダブロックの要部の構成を示すもので、図１はトップデッキ側から見た平面図、図２は図１のＩ−Ｉ線断面図である。
【００２７】
本実施の形態によるクローズドデッキ型シリンダブロック１は、オープンデッキ型シリンダブロック２のシリンダボア３の周囲に形成されたウォータジャケット４の上端部の所定位置にブリッジ材５を挿入して、ブリッジ材５をウォータジャケット４の両側壁に挿入領域の必要一部または全体に亘って溶接したものである。
【００２８】
次に、図１および図２に示したクローズドデッキ型シリンダブロック１の製造方法の実施の形態について、図３乃至図９を参照して説明する。
【００２９】
図３は製造方法の順次の工程を示すもので、図４は本実施の形態で用いるオープンデッキ型シリンダブロックの要部の構成を示す断面図、図５は同じくブリッジ材の構成を示す断面図、図６は図５に示すブリッジ材の組成を示す図、図７はブリッジ材圧入後のシリンダブロックの状態を示す断面図、図８は溶接工程を説明するための図、図９は溶接による残留応力の解消効果を説明するための図である。
【００３０】
図３に示すように、本実施の形態の製造方法は、オープンデッキ型シリンダブロックをダイカスト鋳造する工程（ステップＳ１）と、鋳造されたオープンデッキ型シリンダブロックのウォータジャケットの上端部所定位置にブリッジ材を圧入する工程（ステップＳ２）と、圧入したブリッジ材とシリンダブロックとの接合部を電子ビーム溶接により溶接する工程（ステップＳ３）とを有している。
【００３１】
本実施の形態では、ステップＳ１において、図４に示すように、シリンダボア３の周囲にウォータジャケット４を有すると共に、ウォータジャケット４の上端部にブリッジ材位置決め用凹部６を有するオープンデッキ型シリンダブロック２を、例えばＡＤＣ１２により鋳造する。
【００３２】
また、ステップＳ２では、図５に示すように、ブリッジ材５として、固溶強化型合金であるＡｌ−Ｍｇ系合金の展伸材をブリッジ母材７とし、その少なくともウォータジャケットの両側壁側の表面を軟質な被覆材８としての工業用純Ａｌで被覆したものを用い、このブリッジ材５をオープンデッキ型シリンダブロック２のウォータジャケット４の上端部所定位置に軽圧入してブリッジ材位置決め用凹部６に位置決めする。なお、圧入の際、ブリッジ材５は、溶接時の収縮応力とバランスする圧入応力になるように加熱温度を設定することが望ましい（例えば３４０℃程度）。なお、室温状態でも可能であり、室温状態の場合は、ブリッジ材を加熱することなく簡易に実現できる。
【００３３】
ここで、ブリッジ材５を構成する被覆材８である工業用純Ａｌ及びブリッジ母材７であるＡｌ−Ｍｇ系合金は、図６に示す組成のものを用いる。すなわち、工業用純Ａｌ（Ａ１０００系）は、Ｓｉ；０．２５質量％以下、Ｆｅ；０．３５質量％以下、Ｃｕ；０．０５質量％以下、Ｍｎ；０．０３質量％以下、Ｍｇ；０．０３質量％以下、Ｚｎ；０．０５質量％以下、Ｔｉ；０．０３質量％以下、Ａｌ；９９．６０質量％以上で、なまし材における耐力が１５ＭＰａ以上、強度が９５ＭＰａ以下のもの、例えばＡ１０６０を用いる。
【００３４】
また、Ａｌ−Ｍｇ系合金は、例えばＡ５０００系のもので、Ｓｉ；０．３〜０．４５質量％、Ｆｅ；０．４０〜０．５０質量％、Ｃｕ；０〜０．１質量％、Ｍｎ；０．１０〜０．７質量％、Ｍｇ；３．１〜５．６質量％、Ｃｒ；０．１５〜０．２５質量％、Ｚｎ；０．１０〜０．２５質量％、Ｔｉ；０〜０．２質量％、残部がＡｌで、なまし材における耐力が１２０〜１５０ＭＰａ、強度が２４５〜２９５ＭＰａのもの、例えばＡ５０５６を用いる。
【００３５】
また、被覆材８の厚さは、電子ビーム溶接による溶接線幅よりも薄くする。例えば、ブリッジ材５の圧入深さが８〜１０ｍｍの場合には、電子ビーム溶接による溶接線幅を１ｍｍ程度に抑えることができるので、被覆材８の厚さは０．３〜０．５ｍｍとする。
【００３６】
このようなブリッジ材５は、例えば極めて簡便な間接押出しによって、Ａｌ−Ｍｇ系合金からなるブリッジ母材７の表面に工業用純Ａｌからなる被覆材８を被覆したものを生産し、これを所定の長さに切断して用いることができる。
【００３７】
ステップＳ２において、図４に示したオープンデッキ型シリンダブロック２のウォータジャケット４の上端部所定位置に、図５に示したブリッジ材５を軽く圧入すると、圧入の際に被覆材８が容易に塑性変形してある程度外部に押出されるので、圧入抵抗が緩和される。従って、圧入後は、図７に矢印で示すように、シリンダブロック２側に発生する残留応力が軽減される。なお、この残留応力の軽減効果は、ブリッジ材５を加熱して圧入することにより、より顕著となる。
【００３８】
ステップＳ３では、図８に示すように、圧入したブリッジ材５とウォータジャケット４の側壁との接合部に電子ビーム９を投射して溶接する。
【００３９】
このように、ブリッジ材５とウォータジャケット４の側壁との接合部を電子ビーム９により溶接すれば、ブリッジ材５をウォータジャケット４への圧入領域全体（ブリッジ材位置決め用凹部６の深さ全体）に亘って溶接でき、その溶接部１０の組成をシリンダブロック材の組成物と、ブリッジ母材７の組成物と、被覆材８の組成物との混合組成とすることができるので、局所的な強度低下を防止することができると共に、被覆材８の厚さが電子ビーム溶接の溶接線幅よりも薄いので、溶接によるシリンダブロック２の加熱領域を、図８に一点鎖線で示すように最表層部に抑えることができる。従って、ブリッジ材５の接合強度に優れ、ブリスタのない高品質のクローズドデッキ型シリンダブロック１を製造することができる。
【００４０】
しかも、溶接時には、溶接部１０が溶融・再凝固により収縮して、シリンダブロック２には、図９に矢印で示すように、ブリッジ材５の圧入時とは逆方向の応力が発生するので、図７に示したブリッジ材５の圧入時にシリンダブロック２に生じた残留応力が解消される。従って、歪等が発生することもなくなるので、シリンダボア３の真円度を確保することができ、シリンダブロック２が薄肉であっても、耐久性に優れたクローズドデッキ型シリンダブロック１を製造することができる。
【００４１】
このシリンダブロック２の薄肉化により、シリンダブロック２を鋳造する際の鋳造性が向上し、鋳巣発生などの鋳造欠陥が抑制できると共に、シリンダブロック２の軽量化が得られ、燃費の向上が期待できる。
【００４２】
本発明は、上記実施の形態に限定されることなく発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、ブリッジ母材７はＡｌ−Ｍｇ系合金のＡ５０５６に限らず、Ａ５１５４〜Ａ５０５３の任意のＡｌ−Ｍｇ系合金を用いたり、シリンダブロック材と同じ例えばＡＤＣ１２を用いたりすることもできる。
【００４３】
図１０は、ＡＤＣ１２の平板を溶製、均質化処理後、焼き入れたもの（Ｃｕ原子が固溶した状態）を突き合わせ溶接した場合の強度を示すもので、横軸は溶接中心からの位置を示しており、縦軸は溶接部強度／母材強度を示している。従って、図１０から明らかなように、ブリッジ母材をシリンダブロック材と同じＡＤＣ１２とした場合でも溶接部１０の強度を充分確保することができる。なお、上記実施の形態のように、シリンダブロック材をＡＤＣ１２とし、ブリッジ母材をＡｌ−Ｍｇ系合金とした場合にも、図１０と同様な溶接強度を得ることができる。
【００４４】
また、被覆材８は、Ａ１０６０に限らず、Ａ１０３０の純Ａｌを用いたり、純Ａｌ以外のもの、例えばＡ３０００系のＡｌ−Ｍｎ系合金（例えば、Ａ３０３０等）を用いたりすることもできる。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、オープンデッキ型シリンダブロックのウォータジャケット上端部に、ブリッジ母材の表面を軟質な被覆材で被覆したブリッジ材を圧入して、その接合部を電子ビーム溶接により溶接するようにしたので、品質および耐久性に優れたクローズドデッキ型シリンダブロックを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるクローズドデッキ型シリンダブロックの要部の構成を示す平面図である。
【図２】図１のＩ−Ｉ線断面図である。
【図３】本発明による製造方法の順次の工程を示す図である。
【図４】本発明による製造方法で用いるオープンデッキ型シリンダブロックの要部の構成を示す断面図である。
【図５】同じく、ブリッジ材の構成を示す断面図である。
【図６】図５に示すブリッジ材の組成を示す図である。
【図７】本発明の製造方法によるブリッジ材圧入後のシリンダブロックの状態を示す断面図である。
【図８】本発明の製造方法による溶接工程を説明するための図である。
【図９】図８に示した溶接工程での残留応力の解消効果を説明するための図である。
【図１０】ＡＤＣ１２の突き合わせ溶接による溶接部強度／母材強度を示す図である。
【図１１】従来のクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１ クローズドデッキ型シリンダブロック
２ オープンデッキ型シリンダブロック
３ シリンダボア
４ ウォータジャケット
５ ブリッジ材
６ ブリッジ材位置決め用凹部
７ ブリッジ母材
８ 被覆材
９ 電子ビーム
１０ 溶接部

Claims (8)

1. オープンデッキ型シリンダブロックのウォータジャケット上端部に、ブリッジ母材の表面を軟質な被覆材で被覆したブリッジ材を圧入した後、上記オープンデッキ型シリンダブロックと上記ブリッジ材との接合部を電子ビーム溶接により溶接してクローズドデッキ型シリンダブロックを製造することを特徴とするクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法。
2. 上記被覆材の厚さを、上記電子ビーム溶接による溶接線幅よりも薄くしたことを特徴とする請求項１に記載のクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法。
3. 上記ブリッジ母材として、固溶強化型合金を用いることを特徴とする請求項１または２に記載のクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法。
4. 上記固溶強化型合金としてＡｌ−Ｍｇ系合金展伸材を用い、上記オープンデッキ型シリンダブロックとしてＡＤＣ１２で鋳造したものを用いることを特徴とする請求項３に記載のクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法。
5. 上記Ａｌ−Ｍｇ系合金として、Ｓｉ；０．３〜０．４５質量％、Ｆｅ；０．４０〜０．５０質量％、Ｃｕ；０〜０．１質量％、Ｍｎ；０．１０〜０．７質量％、Ｍｇ；３．１〜５．６質量％、Ｃｒ；０．１５〜０．２５質量％、Ｚｎ；０．１０〜０．２５質量％、Ｔｉ；０〜０．２質量％、残部をＡｌとする合金を用いることを特徴とする請求項４に記載のクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法。
6. 上記被覆材として、Ｓｉ；０．２５質量％以下、Ｆｅ；０．３５質量％以下、Ｃｕ；０．０５質量％以下、Ｍｎ；０．０３質量％以下、Ｍｇ；０．０３質量％以下、Ｚｎ；０．０５質量％以下、Ｔｉ；０．０３質量％以下で、Ａｌが９９．６０質量％以上の工業用純Ａｌを用いることを特徴とする請求項１〜５に記載のクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法。
7. 上記ブリッジ材を室温または加熱した状態で、上記ウォータジャケットの上端部に圧入することを特徴とする請求項１〜６に記載のクローズドデッキ型シリンダブロックの製造方法。
8. 請求項１〜７に記載の製造方法により製造され、上記ブリッジ材が上記ウォータジャケットの両側壁に圧入領域の必要一部または全体に亘って溶接されていることを特徴とするクローズドデッキ型シリンダブロック。

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