JP2010023048A

JP2010023048A - 自動車用排気管の製造方法

Info

Publication number: JP2010023048A
Application number: JP2008183883A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Azuma; 努東; Tsutomu Shudo; 努首藤; Hiroshi Asada; 博朝田; Yasuhiro Nobata; 安浩野畑
Original assignee: Toyota Motor Corp; Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-07-15
Filing date: 2008-07-15
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2028-07-15
Also published as: JP5131765B2

Abstract

【課題】プレス加工によってしわが発生したフランジ部を有する部材であっても、溶け落ち等の不具合が発生することなく溶接接合して所望の特性を発揮し得るエキゾーストマニホールドなどの自動車用排気管を低コストで提供する。
【解決手段】二枚のステンレス鋼板をそれぞれ所定形状にプレス加工した後、当該加工品のフランジ部を重ね合わせ、その重ね合わせ部をレーザー溶接することにより形成される自動車用排気管を製造する際、当該レーザー溶接を、焦点を外したデフォーカス状態でレーザー照射して、隙間のある箇所ではレーザー照射側の上板を溶融させて下板側に凹ませた上で隙間を低減し、隙間のない箇所では下板の裏側まで貫通しない範囲で上板と下板との接合を行う１回目のレーザー溶接と、その後の、下板の裏側まで貫通してレーザー照射する２回目のレーザー溶接とからなる２回のレーザー溶接で行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、薄板のプレス加工品同士の重ね合わせ部をレーザー溶接してエキゾーストマニホールドなどの自動車用排気管を製造する方法に関する。

従来、自動車の排気系部品の一つであるエキゾーストマニホールドには、鋳鉄製のものが使用されていた。しかしながら、昨今の軽量化要求、あるいは排出ガス規制等の観点から、耐食性，耐熱性に優れたステンレス鋼製のものに置き換わっている。しかも排出ガス中の有害なガス成分を無害なガスに効率的に分解させるべく、当該排出ガスの温度低下を防いで触媒機能を効果的に発揮させるために、肉厚の薄い内管を有する二重管構造としたステンレス鋼製のエキゾーストマニホールドが主流となりつつある（例えば特許文献１，２参照。）。

上記特許文献では、二枚のステンレス鋼板材を型取りし、合わせ面を溶接することにより内管を形成するとともに、二枚のステンレス鋼板材を型取りし、合わせ面を溶接することにより外管を形成し、この内管および外管をフランジに固定して二重管ステンレス鋼製のエキゾーストマニホールドを作製している。
そして、その溶接手段として、ＴＩＧ溶接やＭＩＧ用接が使用されてきたが、近年ではレーザー溶接が使用されるケースも増えてきている。レーザー溶接法は、他の溶接方法に比べて溶接幅が狭く熱歪みが少ないなどの利点が挙げられる。また、レーザー溶接では焦点距離が長く、レーザー光が入るだけのスペースがあれば溶接可能なため、他の溶接方法に比べて設計の自由度が増すといった長所もある。
特開平１１−０９３６５４号公報特開平１１−１０７７４５号公報

薄肉の内管を有する二重管構造のステンレス鋼製エキゾーストマニホールドにあっても、軽量化と触媒機能の向上の観点から、さらなく薄肉化が求められている。
ところが、素材ステンレス鋼板の肉厚が薄くなるほど、プレス加工の際、フランジ部にしわが発生しやすくなる。このようなしわが発生したフランジ部同士を重ね合わせてレーザー溶接しようとすると、溶接ビードに窪みが形成されたり、溶け落ちが発生したりして、所望の接合強度を安定的に確保することができない場合がある。

本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、プレス加工によってしわが発生したフランジ部を有する部材を、しわがあるままのフランジ部を重ね合わせてレーザー溶接しても、溶け落ち等の不具合が発生することなく溶接接合して所望の特性を発揮し得るエキゾーストマニホールドなどの自動車用排気管を低コストで提供することを目的とする。

本発明の自動車用排気管の製造方法は、その目的を達成するため、二枚のステンレス鋼板をそれぞれ所定形状にプレス加工した後、当該加工品のフランジ部を重ね合わせ、その重ね合わせ部をレーザー溶接する際、当該レーザー溶接を、焦点を外したデフォーカス状態でレーザー照射して、隙間のある箇所ではレーザー照射側の上板を溶融させて下板側に凹ませた上で隙間を低減し、隙間のない箇所では下板の裏側まで貫通しない範囲で上板と下板との接合を行う１回目のレーザー溶接と、その後、下板の裏側まで貫通してレーザー照射する２回目のレーザー溶接からなる２回のレーザー溶接で行うことを特徴としている。
また、上記記載の１回目のレーザー溶接を行なった後に、複数回のレーザー照射を行ない下板の裏側まで貫通して溶接を行なってもよい。

本発明方法によると、自動車用排気管として、例えば二重管ステンレス鋼製エキゾーストマニホールドを構成する薄鋼板製の内管が、当該内管を形作る予備成形部材をプレス加工する際にフランジ部に形成されやすいしわがあって、二枚のフランジ重ね合わせ部に隙間が形成されていても、隙間による凹みや溶け落ちが発生し難くなり、フランジ部のレーザー溶接が安定して行なえる。
したがって、本発明により、薄鋼板を素材した二重管ステンレス鋼製エキゾーストマニホールドなどの自動車用排気管が安価に安定的に供給できるようになる。

発明者等は、プレス加工したエキゾーストマニホールド内管用部材のフランジ部等、僅かな隙間が発生した２枚の薄板の重ね合わせ部をレーザー溶接する際に、溶け落ち等の溶接不良が発生しやすい原因と対策について鋭意検討を重ねてきた。
その結果、隙間が発生した薄板の重ね溶接での溶け落ちの発生要因としては、隙間に対する溶融金属の不足による発生要因と、レーザー溶接時の熱ひずみによる変形により浮き上がりが生じて重ね合せ部の隙間が拡大することが密接に関係していると推測した。
このように推測すると、事前にしわが形成された薄板を重ね合わせてレーザー溶接する時、しわにより隙間が発生した箇所で溶接時には熱ひずみによる変形が加わって隙間がさらに大きくなり、溶け落ちが発生していると考えられる。

上記推測事項を検証するために、板厚０．４ｍｍのステンレス鋼板を供試材として、図１に示すように、２枚の供試材１，２の間にスペーサ３を挿入して各種隙間を形成して重ね合わせた場合（ａ）と、片方のステンレス鋼板４に山の高さを種々変更したしわを形成したものを重ね合わせた場合（ｂ）とでレーザー溶接試験を行ってみた。レーザー溶接機として、ファイバーレーザー溶接機を用い、２０ｌ／分で流したＡｒガスをシールドガスとし、レーザー出力；１．８ｋＷ，ビームスポット径；０．６ｍｍで焦点位置を上板表面とし、溶接速度；４ｍ／分で試験した。

その結果、供試材間にスペーサを挿入した場合、間隔が７０μｍまでは溶け落ちは見られなかったが、間隔が１００μｍになった時点では確実に溶け落ち発生していた。
図１（ｂ）において、片方のステンレス鋼板４にしわを形成した場合、図２に示すような態様でしわの大きさ（ｈ₁、ｈ₂、ｈ₃）を測定したとき、しわの平均的な大きさが０．１１ｍｍ以下では溶け落ちは見られなかったが、平均的なしわの大きさが０．１１ｍｍを超えると溶け落ちが見られるようになった。

この現象は、重ね合わされた２枚の薄板の隙間が大きくなった箇所で、図３に見られように、隙間に対して溶融金属が不足したため溶け落ち５が発生したと考えられる。また、しわを形成した方について、溶接前後で隙間量の変化を調査した結果、溶接後では溶接前に比べて隙間量が大幅に増加する傾向があることが確認できた。これにより、レーザー溶接時の熱ひずみにより変形が大きくなり、いわゆる“浮き上がり”が生じ隙間が拡大していることが検証できた。

そこで、隙間が発生した２枚の薄板の重ね合わせ部をレーザー溶接で溶接する際に溶け落ちを防ぐためには、隙間をより狭くすることと、板の浮き上がり現象を抑えることの両方の対策が必要であることが判明した。
本発明では、隙間をより狭くすることと、板の浮き上がり現象を抑える手段として、本来の溶接を行う本溶接前に、隙間が発生している箇所については隙間を低減し、上板と下板が接触している箇所では下板の裏側まで溶融しない範囲で上板と下板との接合を行い、熱歪みによる浮き上がり現象を抑えることを目的に、予備的なレーザー溶接を、焦点を外した状態であるデフォーカスで行うことを採用した。すなわち、図４に示すように、レーザー溶接による２回照射を行うこととした。

まず、１回目の予備的なレーザー溶接を、焦点を外したデフォーカスで行う。この時のデフォーカスする入熱条件としては、隙間がない状態で重ね溶接を行なった場合、レーザー照射側の上板と下板が接合され、且つ下板の裏側まで溶融しない範囲の入熱条件が良い。上板側表面を焦点位置とせず焦点を外した状態でレーザー溶接を行なうことによりレーザースポット径が大きくなり溶接部の溶け込み形態は熱伝導型へと移行し、レーザー照射側の上板が板幅方向に幅広く加熱されるため、通常のレーザー溶接のキーホール型よりも格段に溶融金属量は増加する。

その結果、ある程度の隙間の大きさまでは、溶接金属量が増加した分、隙間を充填することが可能となり溶け落ちが発生しにくくなる。また、溶け込み形状が熱伝導型となるため、上板が溶融しても隙間部へ急激に溶融金属が流れこむことはなく、溶け込み形態は図５（ａ）のように上板半分が溶融し重力の影響を受けて、徐々に下板側に落ち込んで隙間部を覆う形となるため隙間量が減少した状態で凝固する。一方、上板と下板が接触している箇所では、上板と下板が図５（ｂ）のように接合されるため浮き上がり現象が抑えられる。

その後、２回目のレーザー溶接を行う。この２回目のレーザー溶接で下板の裏側まで幅狭いビード幅で貫通して溶融させ、隙間が狭くなった２枚の薄板を溶融接合する（図５（ｃ）参照）。この際、前記の１回目のレーザー溶接で部分的に接合された箇所は溶接時の熱歪み変形を抑える役割を果たし、図５（ｄ）のように隙間なく接合される。すなわち、２回目のレーザー溶接時に起きる板の熱ひずみによる変形（浮き上がり）を防いで、薄板の隙間拡大を抑制する。
なお、図４、５中、６が１回目の照射で溶融した領域であり、７が２回目で溶融した領域である。
焦点を外すデフォーカスについては、図６に示すように上板表面に焦点をあてるジャストフォーカス位置を基準として、上板表面より上側（＋側）若しくは下側（−側）に焦点を外してデフォーカスを行えばよい（図６（ａ）、図６（ｂ）参照）。

このように、１回目のデフォーカスによる焦点を外した状態でのレーザー照射及び２回目の本溶接から構成される２回のレーザー照射法により、ある程度の隙間が存在する２枚の薄板の重ね溶接が安定的に行えることになる。したがって、プレス加工等で成形した二重管ステンレス鋼製エキゾーストマニホールド用内管としての予備成形部材のフランジ部であって、加工の影響で微細かつ不規則な凹凸が形成されたもの同士を重ね溶接する際に、本発明の２回レーザー照射法を採用すれば、溶け落ち等の溶接不良を起こすことなく安定的に重ね溶接を行うことができる。

なお、上記説明では、１回目のレーザー溶接を行なった後に、２回目の溶接で下板の裏側まで貫通して溶接を行う２回レーザー照射法について説明しているが、２回目のレーザー溶接を複数回に分けて行なっても、その効果は期待できる。
先述したように、本発明では、１回目のレーザー溶接でデフォーカスにより焦点を外した状態でレーザー照射を行なう事により、隙間のある箇所では隙間が減少もしくは無くなり、また隙間のない箇所では貫通しない範囲で薄板同士が接合し、熱ひずみによる隙間の拡大が生じない状態で２回目以降のレーザー溶接を行なうことを特徴としている。このため、２回目以降の溶接を複数回に分けて溶接を行なっても溶け落ちなどの溶接不良を起こすことなく溶接は可能となる。但し、溶接回数が多くなりすぎると生産効率が低下するため、実質的には２回か若しくは３回程度の溶接回数にする方が好ましいと考えられる。

上記の態様でレーザー溶接されたエキゾーストマニホールド用内管は、同様にプレス成形されたエキゾーストマニホールド用外管の上下部材により包み込まれた状態で外管の合せ面がアーク溶接などにより溶接され、所定の設置場所に固定される。このようにして二重管ステンレス鋼製エキゾーストマニホールドが完成する。
なお、二重管ステンレス鋼製エキゾーストマニホールドを例に上げて説明したが、その他にも自動車用排気管としてフロントパイプやセンタパイプ、あるいは触媒コンバータなどにも本発明を適用できることはいうまでもない。

板厚０．４ｍｍのステンレス鋼板を供試材とし、図７のような自動車の排気系部品を模擬したプレス加工品の上側部品８および下側部品９を作製した。その際に、プレス加工品のフランジ部には、図７に示すようなしわ１１が発生しており、しわの大きさは大小バラツキが見られたが平均しわ高さで０．２０ｍｍ程度であった。このしわが発生したプレス加工品の上側部品８および下側部品９のフランジ１０同士を重ね合せて、先ずスポット溶接により仮止めを行なった。その後、プレス加工品の壁側面部より５ｍｍ離したフランジ部位置にレーザー溶接を行なった。レーザー溶接は、本発明の２回照射と比較として通常の１回照射で溶接を行なった。
レーザー溶接機として、ファイバーレーザー溶接機を用い、２０ｌ／分で流したＡｒガスをシールドガスとした。そして、１回目及び２回目のレーザー光照射による溶接条件として、表１に示す条件を採用した。

目視で溶け落ちの発生有無を確認した結果、通常の１回照射に溶接を行なったプレス加工品では、フランジのしわ発生部で溶け落ちが頻繁に発生していたが、本発明の２回照射で溶接を行なったプレス加工品では、溶け落ちの発生は見られなかった。この結果より、実プレス成形品においても、従来の１回照射では平均しわ高さが０．１１ｍｍ以下にしないと溶け落ちが発生するのに対し、本発明の２回照射法を採用することにより０．２０ｍｍ程度の平均しわ高さがあっても溶接を可能にする事が確認できた。

隙間がある重ね合わせ部をレーザー光照射で溶接する態様を説明する図（ａ）スペーサ挿入態様、（ｂ）しわ形成態様しわ形成薄板のしわ高さを定義する図レーザー光照射で溶接する際に発生する溶け落ちの形態を説明する図本発明２回レーザー光照射法におけるレーザー光照射態様を説明する図２回レーザー光照射法における各段階での溶け込み状況を説明する図（ａ）１回目の照射後隙間部、（ｂ）１回目の照射後隙間がない箇所、（ｃ）２回目の照射後隙間部、（ｄ）２回目の照射後隙間がない箇所デフォーカスの方法を説明する図（ａ）デフォーカス（＋側）の場合、（ｂ）デフォーカス（−側）の場合プレス加工品の形状およびしわ発生状態を示す図

Claims

二枚のステンレス鋼板をそれぞれ所定形状にプレス加工した後、当該加工品のフランジ部を重ね合わせ、その重ね合わせ部をレーザー溶接することにより形成される自動車用排気管を製造する際、前記フランジ重ね合わせ部を、１回目として、焦点を外したデフォーカス状態でレーザー照射して、隙間のある箇所ではレーザー照射側の上板を溶融させて下板側に凹ませた上で隙間を低減し、隙間のない箇所では下板の裏側まで貫通しない範囲で上板と下板との接合を行うレーザー溶接を行った後、２回目として、下板の裏側まで貫通してレーザー照射するレーザー溶接を行う、２回のレーザー溶接を行うことを特徴とする自動車用排気管の製造方法。
二枚のステンレス鋼板をそれぞれ所定形状にプレス加工した後、当該加工品のフランジ部を重ね合わせ、その重ね合わせ部をレーザー溶接することにより形成される自動車用排気管を製造する際、前記フランジ重ね合わせ部を、１回目として、焦点を外したデフォーカス状態でレーザー照射して、隙間のある箇所ではレーザー照射側の上板を溶融させて下板側に凹ませた上で隙間を低減し、隙間のない箇所では下板の裏側まで貫通しない範囲で上板と下板との接合を行うレーザー溶接を行った後、複数回のレーザー溶接にて、下板の裏側まで貫通してレーザー照射するレーザー溶接を行うことを特徴とする自動車用排気管の製造方法。