JP2014172078A - 結晶金属体と金属ガラス体の接合体とその製造方法及び溶接用治具 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶金属からなる円柱状又は円錐台状等の基部と、金属ガラスからなる円柱状円錐台状又はリング状等の先端部とを溶接して十分な強度が得られる構造の接合体と、そのような接合体を製造するための溶接接合方法や溶接用治具を得ること。また、先端部の金属ガラスの量を減らしつつ、十分な強度が得られる構造の接合体と、そのような接合体を製造するための溶接接合方法や溶接用治具を得ること。
【解決手段】中実な結晶金属体１と金属ガラス体２を円形の突き合わせ面で高エネルギービームを照射することにより溶接接合する。結晶金属体１と金属ガラス体２の突き合わせ面側に凹部と凸部を設け、それらを嵌合させた状態で溶接するとより良い。また、結晶金属体１からなる本体部先端側の斜面部の一部にリング状の凹部を形成し、そのリング状の凹部に固定される金属ガラス体２のリング状部に高エネルギービーム５を照射することにより溶接接合する。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関における燃料噴射に用いられるインジェクションノズルを構成するニードルバルブに適用される金属ガラスと結晶金属の接合体、及びそのような接合体を得るための溶接用治具や溶接接合方法に関する。

近年、環境問題への解決策としてハイブリッド車及び電気自動車の開発・普及が叫ばれているが、電気自動車の普及にはまだ時間がかかると思われる。一方、欧州においてはディーゼルエンジンによる環境対応が進んでいる。ディーゼルエンジンは、日本においてはトラックの排気微粒子（ＰＭ）排出のイメージが強く、環境対応のイメージが薄いが、実際にはディーゼル燃料はガソリンに比べ燃費においてガソリン車よりも３０％良い。さらに、燃料製造時のＣＯ_２排出量がガソリンに比べて４０％も低い。
このことからも、ディーゼルエンジンは環境対応内燃機関である。日本のハイブリッド車はガソリンエンジンと電気モーターの組み合わせであるが、これを世界一厳しい日本の規制をクリアするディーゼルエンジンを開発し、ハイブリッドとすることによって、さらにＣＯ_２排出量の削減が可能となる。

ディーゼルエンジンの燃費向上及び不完全燃焼による有害排気ガスの削減のために、コモンレールシステムが用いられている。コモンレールシステムとは、燃料噴射システムのことである。従来の直噴エンジンは１サイクルで１回の燃料噴射であったが、与圧部を設けて予めシステム中を高圧の燃料ガスで満たしておき、ニードルバルブと呼ばれる弁を電子制御で開閉させ、１サイクル中に適時・適量の燃料をシリンダー内に複数回噴射することによって、完全燃焼を促すシステムである。

コモンレールシステムにおける現状のシステム内圧は、１８０〜２００ＭＰａ（１８００〜２０００気圧）程度であるが、これをさらに高圧化することによって噴射される燃料液滴を微細化することができ、完全燃焼させることができるため、システム内圧を２５０〜３００ＭＰａ程度にまで高めることが求められている。

特許文献１には、燃料噴射圧力の高圧化とインジェクションノズルの応答性の向上を達成するため、インジェクションノズルの先端部を金属ガラスによって形成することが開示されている。
さらに、特許文献１には、ニードルバルブの先端部を金属ガラスで、基部をＳＵＳ３１６Ｌのような鍛造合金鋼で作成し、先端部の金属ガラスと基部の鍛造合金鋼（結晶金属）とを接合する点及びその接合に際しては、特許文献２や特許文献３に開示された高エネルギービームによる継ぎ手のような接合技術を適用することが開示されている。
そして、先端部の金属ガラスと基部の鍛造合金鋼（結晶金属）との具体的な接合の方法として、結晶金属からなる基部側に切欠空間を形成するとともに、金属ガラスからなる先端部の側に高エネルギービームの照射位置をシフトして行う旨説明している（図２及び段落００２１〜００２３）。

特開２０１２−９７７２１号公報 特開２００６−８８２０１号公報 国際公開２００９−１４２２１号パンフレット

引用文献１に開示されたインジェクションノズルは、燃料噴射圧力の高圧化とインジェクションノズルの応答性の向上を一挙に達成できるものではあるが、その後研究を進めた結果、ニードルバルブの先端部は直径が３ｍｍ程度しかないため、その内側に空洞を形成して高エネルギービームを照射すると、溶けた金属ガラスが空洞部に入り込んでしまい、溶接接合状態が不良となりやすく必要な強度を得るのが困難であることが分かった。

本発明の課題は、結晶金属からなる円柱状又は円錐台状等の基部と、金属ガラスからなる円柱状又は円錐台状等の先端部とを溶接して十分な強度が得られる構造の接合体を得ること、及びそのような接合体を製造するための溶接接合方法や溶接用治具を得ることにある。

また、本発明の他の課題は、先端部の金属ガラスの量を減らしつつ、十分な強度が得られる構造の接合体を得ること、及びそのような接合体を製造するための溶接接合方法や溶接用治具を得ることにある。

本発明に係る接合体の第１の態様は、突き合わせ面が円形である円柱状、円錐台状又はそれらを組み合わせた形状の結晶金属体、及び突き合わせ面が円形である円柱状、円錐台状、円錐状又はそれらを組み合わせた形状の金属ガラス体の中心部に空洞を設けずに溶接接合してなるものである。
とりわけ、前記金属ガラス体又は前記結晶金属体の突き合わせ面の中央には、前記金属ガラス体又は前記結晶金属体と同軸の平面視が円形の凹部が形成されるとともに、前記金属ガラス体又は前記結晶金属体と溶接接合される結晶金属体又は金属ガラス体の突き合わせ面の中央には、前記凹部と同形状の凸部を形成しておくと、凹部に凸部が嵌入して固定され、かつ溶接接合面の面積が広がるため、より強固に溶接接合された接合体を得ることができる。なお、結晶金属体の中央に前記凹部を設けた場合には、接合する金属ガラス体に凸部を設ける代わりに前記凹部を別の金属ガラス体で埋めた上で溶接接合するものとしても、高エネルギービームを照射した時に２つの金属ガラス体が境界部で溶けて融合した上で固化するため、溶接接合後の強度にそれほど大きな差は生じない。
そして、これらの接合体を製造するための溶接接合方法は、次の工程からなる。
ａ．結晶金属体の突き合わせ面と金属ガラス体の突き合わせ面を、両者の中心軸を合致させ突き合わせた状態で前記中心軸の両側から押し付けて保持
ｂ．結晶金属体と金属ガラス体を保持した状態で、両者を前記中心軸の回りに同期して回転
ｃ．結晶金属体と金属ガラス体を同期して回転させながら、金属ガラス体の突き合わせ面より金属ガラス体寄りに高エネルギービームを照射して結晶金属体と金属ガラス体を溶接接合

本発明に係る接合体の第２の態様は、金属ガラスの量を減らすために、先端部が円錐状又は円錐台状の結晶金属体の斜面部にその結晶金属体と中心軸が一致するリング状の浅い凹部を設け、その凹部に嵌入可能な薄いリング状の金属ガラス体又は複数のワイヤ状の金属ガラス体と結晶金属体とを溶接接合してなるものである。
そして、この接合体を製造するための溶接接合方法は、次の工程からなる。
ａ．結晶金属体の斜面部の凹部にリング状の金属ガラス体又はワイヤ状の金属ガラス体を嵌入した状態で保持
ｂ．その結晶金属体の凹部にリング状の金属ガラス体又はワイヤ状の金属ガラス体を保持した状態で、両者を結晶金属体の中心軸の回りに回転
ｃ．リング状又はワイヤ状の金属ガラス体の上面側から高エネルギービームを照射して結晶金属体と金属ガラス体を溶接接合

本発明に係る接合体の第３の態様は、同じく金属ガラスの量を減らすために、円柱状又は円錐台状の基端部の上面に、該基端部より径が小さく該基端部と同じ中心軸を有する平面視が円形状の突起が形成されている結晶金属体と、中心に前記突起を嵌合挿入可能な穴を有する円錐台形状の金属ガラス体を、前記基端部の上面と前記金属ガラス体の下面との接合面及び前記突起の側面と前記穴の内側面との接合面において溶接接合してなるものである。
そして、この接合体を製造するための溶接接合方法は、次の工程からなる。
ａ．前記結晶金属体の基端部の上面に前記金属ガラス体を保持
ｂ．前記結晶金属体の基端部の上面に、前記金属ガラス体を保持した状態で、両者を前記結晶金属体の中心軸の回りに回転
ｃ．前記基端部の上面と前記金属ガラス体の下面との接合面より前記金属ガラス体寄りに側方から高エネルギービームを照射して前記基端部の上面と前記金属ガラス体の下面を溶接接合するとともに、前記金属ガラス体の中心の穴より前記金属ガラス体寄りに上方から高エネルギービームを照射して前記突起の側面と前記穴の内側面を溶接接合

本発明に係る溶接用治具の第１の態様は、図６に示すように次の構成要素からなっている。
ａ．突き合わせ面が円形である中実の円柱状、円錐台状又はそれらを組み合わせた形状の結晶金属体を水平方向（ｙ軸方向）に保持できる第１の支持体
ｂ．突き合わせ面が円形である中実の円柱状、円錐台状、円錐状又はそれらを組み合わせた形状の金属ガラス体をｙ軸方向に保持できる第２の支持体
ｃ．一対の支持体を、それぞれｙ軸を中心に同期して回転させる回転駆動機構
ｄ．一対の支持体の中間部において、ｙ軸上の一点に向けて高エネルギービームを照射する照射装置
ｅ．一対の支持体をそれぞれｙ軸方向に移動させる位置調整機構
ｆ．一対の支持体又は照射装置をｚ軸方向に移動させる焦点調整機構

本発明に係る溶接用治具の第２の態様は、図７に示すように次の構成要素からなっている。
ａ．突き合わせ面が円形である中実の円柱状、円錐台状又はそれらを組み合わせた形状の結晶金属体を鉛直方向（ｚ軸方向）に保持できる第１の支持体
ｂ．突き合わせ面が円形である中実の円柱状、円錐台状、円錐状又はそれらを組み合わせた形状の金属ガラス体をｚ軸方向に保持できる第２の支持体
ｃ．一対の支持体を、それぞれｚ軸を中心に同期して回転させる回転駆動機構
ｄ．一対の支持体の中間部において、ｚ軸上の一点に向けて高エネルギービームを照射する照射装置
ｅ．一対の支持体をそれぞれｚ軸方向に移動させる位置調整機構
ｆ．一対の支持体又は照射装置をｙ軸方向に移動させる焦点調整機構

本発明に係る溶接用治具の第３の態様は、図８に示すように次の構成要素からなっている。
ａ．先端部が円錐状又は円錐台状の結晶金属体を保持できる水平な上面を有する支持体
ｂ．前記支持体を、鉛直軸を中心に回転させる回転駆動機構
ｃ．前記支持体の上方の一点に向けて高エネルギービームを照射する照射装置
ｄ．支持体を水平方向に移動させる水平位置調整機構
ｅ．支持体を鉛直方向に移動させる鉛直位置調整機構

本発明に係る溶接用治具の第４の態様は、図８に示すように次の構成要素からなっている。
ａ．円柱状又は円錐台状の基端部の上面に、該基端部より径が小さく該基端部と同じ中心軸を有する平面視が円形状の突起が形成されている結晶金属体を保持できる水平な上面を有する支持体
ｂ．支持体を、鉛直軸を中心に回転させる回転駆動機構
ｃ．支持体の側方から鉛直軸上の一点に向けて高エネルギービームを照射する第１の照射装置と、支持体の上方の一点に向けて高エネルギービームを照射する第２の照射装置
ｄ．支持体を水平方向に移動させる水平位置調整機構
ｅ．支持体を鉛直方向に移動させる鉛直位置調整機構

本発明に係る結晶金属体と金属ガラス体の接合体は、溶接接合状態が良好で大きな曲げ応力に耐えることができるので、非常に過酷な環境で使用されるインジェクションノズルのニードルバルブに適用可能である。
そして、金属ガラスは鍛造合金鋼と比較して、高強度、高弾性変形能、高耐摩耗性、高耐食性、超精密鋳造性といった優れた特性を有している。具体的には、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）の引張り強度が６５０ＭＰａであるのに対し、金属ガラスの引張り強さは１７００ＭＰａ、ヤング率はステンレス鋼のヤング率が２０４ＧＰａであるのに対し、金属ガラスのヤング率は８６ＧＰａである。
そのため、金属ガラスをインジェクションノズルのニードルバルブ先端部に適用することによって、ニードルバルブ先端部にゴムのような弾力を持たせることができるので、燃料噴射圧力の高圧化に耐えつつ、高い応答性とシール性とを併せ持たせることができる。

また、金属ガラスの有する高耐摩耗性、高耐食性という特性から、インジェクションノズルの長期にわたるメンテナンスフリー化が可能となる。
さらに、結晶金属体の一部のみに金属ガラス体を溶接接合した接合体をニードルバルブ先端部に適用すれば、少量の金属ガラス体によって、良い特性のニードルバルブを作成することができるので経済的である。
そして、高性能のインジェクションノズルを実現することで、我が国におけるディーゼル車の排ガス規制をクリアすることが可能となり、ディーゼルエンジンハイブリッド車の普及にも貢献できる。

実施例１のニードルバルブを適用したインジェクションノズル。 実施例２又は３のニードルバルブを適用したインジェクションノズル。 実施例１の結晶金属体からなる基部と金属ガラス体からなる先端部の断面図及び両者を溶接する際に高エネルギービームを照射する位置と方向を示す図。 実施例２の結晶金属体からなる本体部と金属ガラス体からなるリング状部の断面図及び両者を溶接する際に高エネルギービームを照射する位置と方向を示す図。 実施例３の結晶金属体からなる本体部と金属ガラス体からなるリング状部の断面図及び両者を溶接する際に高エネルギービームを照射する位置と方向を示す図。 実施例１の基部と先端部を溶接する際に用いる高エネルギービーム溶接用回転治具の概念図（ｙ軸を中心に回転するタイプ）。 実施例１の基部と先端部を溶接する際に用いる高エネルギービーム溶接用回転治具の概念図（ｚ軸を中心に回転するタイプ）。 実施例２及び３の本体部とリング状部を溶接する際に用いる高エネルギービーム溶接用回転治具の概念図。

以下、実施例によって本発明の実施形態を説明する。

図１に示すように、実施例１のニードルバルブは、その先端側が円筒状で円形の突き合わせ面を有する結晶金属体１からなる基部と、その基端側が円筒状で円形の突き合わせ面を有するとともに、その先端側が円錐状の金属ガラス体２からなる先端部からなっている。
結晶金属体１にはＳＫＨ５１鋼を用い、金属ガラス体２にはＺｒ_６７．９Ｎｂ_６．１Ｃｕ_１２．８Ｎｉ_９．７Ａｌ_３．５を用いた。
また、結晶金属体１の突き合わせ面の周囲には、高エネルギービームを照射したとき結晶金属体１が溶融して金属ガラス体２と混ざり合わないようにするため、開先空間が形成されている。
結晶金属体１からなる基部と金属ガラス体２からなる先端部は、図３に示すように、いずれも中実であり、結晶金属体１の突き合わせ面側の中央には、結晶金属体１と同軸の円筒形の凹部３が形成され、金属ガラス体２の突き合わせ面側の中央には、金属ガラス体２と同軸の円筒形の凸部４が形成されている。
円筒形の凹部３と凸部４は同形状であり、結晶金属体１の突き合わせ面と金属ガラス体２の突き合わせ面を突き合わせた時、凸部４が凹部３に嵌り込むようになっている。
結晶金属体１及び金属ガラス体２の突き合わせ面は、直径が３〜６ｍｍ、凹部３と凸部４は、直径が０．５〜２ｍｍである。

結晶金属体１の突き合わせ面と金属ガラス体２の突き合わせ面を突き合わせた状態で、図６又は図７に示す高エネルギービーム溶接用回転治具により両側から中心軸方向に押し付けて保持し、その状態で結晶金属体１と金属ガラス体２とを中心軸の回りに同期して回転させる。
そして、一定の速度で回転させながら、結晶金属体１と金属ガラス体２の接合部より金属ガラス体２寄りに高エネルギービーム５を照射して結晶金属体１と金属ガラス体２を溶接接合する。
具体的には、分速５〜５０回転（５〜５０ｒｐｍ）で、０．１〜０．２ｍｍ金属ガラス体２寄りに（シフト量０．１〜０．２ｍｍで）、出力０．３〜１ｋＷの連続的な電子ビーム若しくはレーザービーム、又は出力１〜１．５ｋＷ、パルス幅１〜５ミリ秒（１〜５ｍｓｅｃ）、周波数５〜２０Ｈｚのパルス状レーザービームを照射して、結晶金属体１と金属ガラス体２を溶接接合する。より好ましくは、１５〜２５ｒｐｍ、シフト量０．１３〜０．１７ｍｍで、出力０．５〜０．７ｋＷの連続的な電子ビーム若しくはレーザービーム、又は出力１．１〜１．３ｋＷ、パルス幅２〜４ｍｓｅｃ、周波数８〜１２Ｈｚのパルス状レーザービームを照射して、結晶金属体１と金属ガラス体２を溶接接合する。
このうち、パルス状レーザービームを照射して、結晶金属体１と金属ガラス体２を溶接接合したものにおいては、連続的な電子ビーム若しくはレーザービームを照射して接合したものに比べて、より低入熱で急熱急冷できるため、結晶化が生じない溶接を実現でき、引っ張り試験及び曲げ試験を行った結果、より高い強度が得られることを確認できた。

図６〜８に示す高エネルギービーム溶接用回転治具について説明する。
図６〜８においては、水平の前後方向をｘ軸、水平の左右方向をｙ軸、上下方向（鉛直方向）をｚ軸として説明する。

図６に示す高エネルギービーム溶接用回転治具は、突き合わせ面が円形の２つの被溶接体６をｙ軸方向から押し付けて保持しながら、左右両側にある駆動装置により同じ速度で同期してｙ軸を中心に回転させることができるようになっている。
そのため、この回転治具は、２つの被溶接体６をそれぞれ片側から支持することのできる左右一対の支持体と、その一対の支持体を、それぞれｙ軸を中心に同期して一方向に回転させることのできる回転駆動機構と、一対の支持体の中間部においてｙ軸上の一点に向けて高エネルギービームを照射することのできる照射装置と、一対の支持体をそれぞれｙ軸方向に移動させることのできる位置調整機構と、一対の支持体又は照射装置をｚ軸方向に移動させる焦点調整機構とを備えている。
また、高エネルギービームは、通常は回転治具の上方に設置されている照射装置から回転治具のほぼ中央に真下に向かって照射されるが、被溶接体６への入射角度をｙｚ平面において１０度程度変化させることができるようになっている。
この角度変化によって、高エネルギービームの照射経路を被溶接体６の表面付近では突き合わせ面から離し、被溶接体６の中心付近では突き合わせ面に近接するように調整することができるので、突き合わせ面の表面から中心まで均一な溶接接合状態が得られる。
なお、高エネルギービームは上方からに限らず下方から照射しても良いし、前方又は後方（ｘ軸方向）から照射しても良いが、上方から照射した方が溶けた金属ガラスが重力によって落ちにくいので好ましい。

図７に示す高エネルギービーム溶接用回転治具について説明する。
図７においては、金属ガラス体と結晶金属体を上下方向（ｚ軸方向）から押し付けて保持し、中心軸（ｚ軸）の回りに回転させ、高エネルギービームを右方（ｙ軸方向）から照射する。
高エネルギービームは右方からに限らず左方から照射しても良いし、前方又は後方（ｘ軸方向）から照射しても良い。なお、図７においては、どの方向から照射しても重力の影響は同じなので、他の装置との兼ね合い等を考慮して適宜の位置を選択すれば良い。
その他の構成は、図６のものに対して、ｙ軸方向とｚ軸方向が入れ替わっているだけであり、基本的な構成は全く同じである。

図２に示すように、実施例２のニードルバルブは、その基端側が円筒状で先端側が円錐状の結晶金属体１からなる本体部と、その先端側の斜面部の一部に形成された金属ガラス体２のリング状部からなっている。
実施例１と同様、結晶金属体にはＳＫＨ５１鋼を用い、金属ガラス体にはＺｒ_６７．９Ｎｂ_６．１Ｃｕ_１２．８Ｎｉ_９．７Ａｌ_３．５を用いた。
結晶金属体からなる本体部の斜面部には図４に示すような浅いリング状の凹部又は図５に示すような深い円錐台状の凹部が形成され、図４の場合は凹部の深さより若干厚いリング状の金属ガラス体２が嵌入して固定されるようになっており、図５の場合は結晶金属体１先端部の凸部に挿入可能な中心に円筒状の穴を有する円錐台形状の金属ガラス体２が深い円錐台状の凹部から少しはみ出すように固定されるようになっている。
結晶金属体１は、その基端側の直径が３〜６ｍｍ、リング状の凹部は、上端側の直径が１〜２ｍｍ、下端側の直径が２〜４ｍｍ、深さが０．４〜０．８ｍｍ、リング状の金属ガラス体２は、リング状の凹部とほぼ同形状で、厚さが０．５〜１ｍｍ、円筒状の穴を有する円錐台形状の金属ガラス体２は、円筒状の穴の直径が１〜２ｍｍ、上面の直径が１．２〜２．４ｍｍ、下面の直径が２〜４ｍｍ、厚さが１〜２ｍｍである。

結晶金属体１からなる本体部の斜面部に形成された凹部にリング状の金属ガラス体２又は円錐台形状の金属ガラス体２を固定した状態で、図８に示す高エネルギービーム溶接用回転治具により結晶金属体１を支持体上に載せて保持し、支持体を一方向に回転駆動して結晶金属体１を鉛直軸の回りに回転させる。
そして、一定の速度で回転させながら、リング状の金属ガラス体２の場合、金属ガラス体２の表面側から上面に高エネルギービーム５をほぼ垂直に照射して金属ガラス体２と結晶金属体１を溶接接合した。
具体的には、出力１〜２ｋＷの連続的な電子ビーム若しくはレーザービームを、その集光位置が金属ガラス体２の表面より５〜１２ｍｍ高い位置になるように設定して（デフォーカス量−５〜−１２ｍｍで）照射しつつ、金属ガラス体２を周方向に線速度毎秒５０〜１５０ｍｍ（溶接速度５０〜１５０ｍｍ／ｓｅｃ）で回転させて、結晶金属体１と金属ガラス体２を溶接接合するか、出力１．５〜２．５ｋＷ、パルス幅１〜５ｍｓｅｃ、周波数５〜２０Ｈｚのパルス状レーザービームをデフォーカス量−２〜−８ｍｍで照射しつつ、金属ガラス体２を溶接速度１〜５ｍｍ／ｓｅｃで回転させて、結晶金属体１と金属ガラス体２を溶接接合する。より好ましくは、出力１．３〜１．７ｋＷの連続的な電子ビーム若しくはレーザービームを、デフォーカス量−６〜−１０ｍｍで照射しつつ、金属ガラス体２を溶接速度８０〜１２０ｍｍ／ｓｅｃで回転させて、結晶金属体１と金属ガラス体２を溶接接合するか、出力１．８〜２．２ｋＷ、パルス幅２〜４ｍｓｅｃ、周波数８〜１２Ｈｚのパルス状レーザービームをデフォーカス量−４〜−６ｍｍで照射しつつ、金属ガラス体２を溶接速度２〜４ｍｍ／ｓｅｃで回転させて、結晶金属体１と金属ガラス体２を溶接接合する。
また、円錐台形状の金属ガラス体２の場合、金属ガラス体２の下面と結晶金属体１との接合部より金属ガラス体２寄りにｙ軸方向から高エネルギービーム５を照射するとともに、金属ガラス体２中心の穴の内面と結晶金属体１の凸部との接合部より金属ガラス体２寄りにｚ軸方向から高エネルギービーム５を照射して結晶金属体１と金属ガラス体２を溶接接合する。
具体的には、実施例１の場合と同様に、５〜５０ｒｐｍ、シフト量０．１〜０．２ｍｍで、出力０．３〜１ｋＷの連続的な電子ビーム若しくはレーザービーム、又は出力１〜１．５ｋＷ、パルス幅１〜５ｍｓｅｃ、周波数５〜２０Ｈｚのパルス状レーザービームを照射して、結晶金属体１と金属ガラス体２を溶接接合する。より好ましくは、１５〜２５ｒｐｍ、シフト量０．１３〜０．１７ｍｍで、出力０．５〜０．７ｋＷの連続的な電子ビーム若しくはレーザービーム、又は出力１．１〜１．３ｋＷ、パルス幅２〜４ｍｓｅｃ、周波数８〜１２Ｈｚのパルス状レーザービームを照射して、結晶金属体１と金属ガラス体２を溶接接合する。

図８に示す高エネルギービーム溶接用回転治具について説明する。
図８に示す高エネルギービーム溶接用回転治具は、金属ガラス体２を固定した結晶金属体１を支持体上に載置して保持しながら、支持体の下方側にある駆動装置により一方向に回転させることができるようになっている。
そのため、この回転治具は、被溶接部材を保持できる水平な上面を有する支持体と、その支持体を、ｚ軸を中心に一方向に回転させることのできる回転駆動機構と、その支持体をｙ軸方向に移動させる水平位置調整機構と、その支持体をｚ軸方向に移動させる鉛直位置調整機構とを備えている。
また、高エネルギービームは、回転治具の上方及び側方に設置されている高エネルギービーム照射装置から、それぞれほぼ真下及び支持体の中心軸に向かって照射されるが、上方の高エネルギービームは被溶接体６への入射角度をｙｚ平面において１０度程度変化させることができるようになっており、側方の高エネルギービームはｙｚ平面において８０度程度変化させることができるようになっている。
上方の高エネルギービームについては、この角度変化によって高エネルギービームの照射経路を被溶接体６の表面付近では突き合わせ面から離し、被溶接体６の中心付近では突き合わせ面に近接するように調整することができるので、突き合わせ面の表面から中心まで均一な溶接接合状態が得られる。
側方の高エネルギービームについては、この角度変化によって上方の高エネルギービームと同様の調整ができるだけでなく、リング状の金属ガラス体の上面に高エネルギービームをほぼ垂直に照射することができる。

実施例１及び２の変形例を列記する。
（１）実施例１においては、結晶金属体１の突き合わせ面の周囲に、開先空間が形成されているが、高エネルギービーム５の被溶接体６への入射角度を変化させ、高エネルギービーム５の照射経路を被溶接体６の表面付近では突き合わせ面から離すことで、結晶金属体１の溶融を避けることができるので、必ずしも必要ない。
（２）実施例１においては、結晶金属体１の突き合わせ面側の中央に結晶金属体１と同軸の円筒形の凹部３が形成され、金属ガラス体２の突き合わせ面側の中央には、金属ガラス体１と同軸の円筒形の凸部４が形成されているが、これらの凹部３及び凸部４はなくても高エネルギービーム５の強度や入射角度を最適化することで、結晶金属体１と金属ガラス体２を溶接接合することができる。
具体的には、パルス状レーザービームを照射して、結晶金属体１と金属ガラス体２を溶接接合した実施例１のものと、凹部３のない結晶金属体１と凸部４のない金属ガラス体２に、実施例１と同様の条件でパルス状レーザービームを照射して溶接接合したものについて、引っ張り試験及び曲げ試験を行った結果、引っ張り試験ではその強度は変わらず、曲げ試験では５％ほど強度は下がるものの十分な強度が得られることを確認できた。
また、金属ガラス体２には円筒形の凸部を形成せず、結晶金属体１に形成した凹部を別の金属ガラス体で埋めて、結晶金属体１と金属ガラス体２を突き合わせて同様に高エネルギービームを照射すれば、２つの金属ガラス体が境界部で溶けて融合した上で固化するため、良好に溶接接合することができる。
さらに、結晶金属体１の突き合わせ面側の中央に結晶金属体１と同軸の円筒形の凸部を形成し、金属ガラス体２の突き合わせ面側の中央に金属ガラス体と同軸の円筒形の凹部を形成しても良い。
（３）実施例１においては、結晶金属体１と金属ガラス体２を溶接する際に、図６又は図７に示す高エネルギービーム溶接用回転治具を用いたが、結晶金属体１及び金属ガラス体２の一方に凹部、他方に凸部を形成した場合、凸部が凹部に嵌入することで溶接前から両者が固定されるので、図８に示す高エネルギービーム溶接用回転治具も利用可能である。
（４）実施例２においては、凹部より若干厚いリング状の金属ガラス体２を用いたが、ワイヤ状の金属ガラス体の固定と、表面側からの高エネルギービーム５の照射による溶接接合を繰り返してリング状の凹部を金属ガラス体で埋めても良い。
また、粉状の金属ガラス体をリング状の凹部に流し込む工程と、表面側から高エネルギービーム５を照射する工程を繰り返してリング状の凹部を金属ガラス体で埋めても良い。
（５）実施例２において、リング状の金属ガラス体に表面側から高エネルギービームを照射するに際して、ビームの周囲に不活性ガスを流して溶接接合すると接合強度が向上する。
（６）実施例１及び２においては、結晶金属材として、強度が高く金属ガラスとの溶接も行いやすいＳＫＨ５１鋼を用いたが、この材質に限らず、ＳＫＨ５１鋼以外のハイス鋼や、ＳＵＳ３１６Ｌ鋼等のステンレス鋼も利用可能である。
また、金属ガラス材として、Ｚｒ_６７．９Ｎｂ_６．１Ｃｕ_１２．８Ｎｉ_９．７Ａｌ_３．５を用いたが、この材質に限らず、Ｚｒ_４１Ｂｅ_２３Ｔｉ_１４Ｃｕ_１２Ｎｉ_１０やＺｒ_５５Ａｌ_１０Ｎｉ_５Ｃｕ_３０等も利用可能である。
（７）高エネルギービーム５を照射する際の具体的条件の最適値については、その回転速度、シフト量、デフォーカス量、出力、パルス幅、周波数ともに、結晶金属体１と金属ガラス体２の大きさ、厚さ、材質等によって、それぞれ異なる。
また、高エネルギービームも電子ビーム及びレーザービームに限らず、イオンビーム等も利用可能である。
（８）実施例１及び２においては、結晶金属体１と金属ガラス体２を一定の速度で回転させながら高エネルギービーム５を照射したが、結晶金属体１と金属ガラス体２を間歇的に回転させながら高エネルギービーム５を照射しても良い。その場合、間歇的な回転とパルス状レーザービームの照射タイミングを関連づけても良い。
（９）実施例１及び２においては、結晶金属体１と金属ガラス体２を直接突き合わせて溶接接合したが、両者の接合部にＺｒをコーティングした上で高エネルギービーム５を照射すると、溶接接合状態を向上させることができる。

１ 結晶金属体
２ 金属ガラス体
３ 凹部
４ 凸部
５ 高エネルギービーム

Claims (17)

1. 突き合わせ面が円形である中実の円柱状、円錐台状又はそれらを組み合わせた形状の結晶金属体と、
   突き合わせ面が円形である中実の円柱状、円錐台状、円錐状又はそれらを組み合わせた形状の金属ガラス体を、
   両者の突き合わせ面で溶接接合してなる接合体。
2. 前記結晶金属体の突き合わせ面側の中央には、該結晶金属体と同軸の平面視が円形の凹部又は凸部が形成され、
   前記金属ガラス体の突き合わせ面側の中央には、該金属ガラス体と同軸の平面視が円形の凸部又は凹部が形成され、
   前記結晶金属体の凹部と前記金属ガラス体の凸部又は前記結晶金属体の凸部と前記金属ガラス体の凹部が嵌合可能となっていることを特徴とする請求項１に記載の接合体。
3. 前記結晶金属体の突き合わせ面の周囲に開先空間が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の接合体。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の接合体を製造する方法であって、
   前記結晶金属体の突き合わせ面と前記金属ガラス体の突き合わせ面を、両者の中心軸を合致させ突き合わせた状態で前記中心軸の両側から押し付けて保持する工程、
   前記結晶金属体と前記金属ガラス体を保持した状態で、両者を前記中心軸の回りに同期して回転させる工程、
   前記結晶金属体と前記金属ガラス体を同期して回転させながら、前記金属ガラス体の突き合わせ面より前記金属ガラス体寄りに高エネルギービームを照射して、前記結晶金属体と前記金属ガラス体を溶接接合する工程よりなる製造方法。
5. 前記結晶金属体の突き合わせ面又は前記金属ガラス体の突き合わせ面にＺｒコーティングを施す工程を含む請求項４に記載の製造方法。
6. 高エネルギービームを照射するに際して、不活性ガスによるシールドを施す工程を含む請求項４又は５に記載の製造方法。
7. 突き合わせ面が円形である中実の円柱状、円錐台状又はそれらを組み合わせた形状の結晶金属体を水平方向又は鉛直方向に保持できる第１の支持体と、
   突き合わせ面が円形である中実の円柱状、円錐台状、円錐状又はそれらを組み合わせた形状の金属ガラス体を水平方向又は鉛直方向に保持できる第２の支持体と、
   前記第１及び第２の支持体を、それぞれ水平軸又は鉛直軸を中心に同期して回転させる回転駆動機構と、
   前記第１及び第２の支持体の中間部において、前記水平軸又は鉛直軸上の一点に向けて高エネルギービームを照射する照射装置と、
   前記第１及び第２の支持体をそれぞれ水平方向又は鉛直方向に移動させる位置調整機構と、
   前記第１及び第２の支持体又は前記照射装置を、鉛直方向又は水平方向に移動させる焦点調整機構とを備える高エネルギービーム溶接用回転治具。
8. 先端部が円錐状又は円錐台状の結晶金属体の斜面部に該結晶金属体と中心軸が一致するリング状の凹部が形成され、該凹部に嵌入可能なリング状の金属ガラス体又は複数のワイヤ状の金属ガラス体と前記結晶金属体を溶接接合してなる接合体。
9. 請求項８記載の接合体を製造する方法であって、
   前記結晶金属体の斜面部の凹部にリング状の金属ガラス体又はワイヤ状の金属ガラス体を嵌入した状態で保持する工程、
   前記結晶金属体の凹部に前記リング状の金属ガラス体又はワイヤ状の金属ガラス体を保持した状態で、両者を前記結晶金属体の中心軸の回りに回転させる工程、
   前記リング状の金属ガラス体又はワイヤ状の金属ガラス体の上面側から高エネルギービームを照射して、前記結晶金属体と前記リング状の金属ガラス体又はワイヤ状の金属ガラス体を溶接接合する工程よりなる製造方法。
10. 前記結晶金属体の凹部又は前記リング状の金属ガラス体若しくは複数のワイヤ状の金属ガラス体にＺｒコーティングを施す工程を含む請求項９に記載の製造方法。
11. 高エネルギービームを照射するに際して、不活性ガスによるシールドを施す工程を含む請求項９又は１０に記載の製造方法。
12. 先端部が円錐状又は円錐台状の結晶金属体を保持できる水平な上面を有する支持体と、
    前記支持体を、鉛直軸を中心に回転させる回転駆動機構と、
    前記支持体の上方の一点に向けて高エネルギービームを照射する照射装置と、
    前記支持体を水平方向に移動させる水平位置調整機構と、
    前記支持体を鉛直方向に移動させる鉛直位置調整機構とを備える高エネルギービーム溶接用回転治具。
13. 円柱状又は円錐台状の基端部の上面に、該基端部より径が小さく該基端部と同じ中心軸を有する平面視が円形状の突起が形成されている結晶金属体と、中心に前記突起を嵌合挿入可能な穴を有する円錐台形状の金属ガラス体を前記基端部の上面と前記金属ガラス体の下面との接合面及び前記突起の側面と前記穴の内側面との接合面において溶接接合してなる接合体。
14. 請求項１３記載の接合体を製造する方法であって、
    前記結晶金属体の基端部の上面に、前記金属ガラス体を保持する工程、
    前記結晶金属体の基端部の上面に、前記金属ガラス体を保持した状態で、両者を前記結晶金属体の中心軸の回りに回転させる工程、
    前記基端部の上面と前記金属ガラス体の下面との接合面より前記金属ガラス体寄りに側方から高エネルギービームを照射して前記基端部の上面と前記金属ガラス体の下面を溶接接合するとともに、前記金属ガラス体の中心の穴より前記金属ガラス体寄りに上方から高エネルギービームを照射して前記突起の側面と前記穴の内側面を溶接接合する工程よりなる製造方法。
15. 前記基端部の上面と前記突起の側面又は前記金属ガラス体の下面と前記穴の内側面にＺｒコーティングを施す工程を含む請求項１４に記載の製造方法。
16. 高エネルギービームを照射するに際して、不活性ガスによるシールドを施す工程を含む請求項１４又は１５に記載の製造方法。
17. 円柱状又は円錐台状の基端部の上面に、該基端部より径が小さく該基端部と同じ中心軸を有する平面視が円形状の突起が形成されている結晶金属体を保持できる水平な上面を有する支持体と、
    前記支持体を、鉛直軸を中心に回転させる回転駆動機構と、
    前記支持体の側方から前記鉛直軸上の一点に向けて高エネルギービームを照射する第１の照射装置と、前記支持体の上方の一点に向けて高エネルギービームを照射する第２の照射装置と、
    前記支持体を水平方向に移動させる水平位置調整機構と、
    前記支持体を鉛直方向に移動させる鉛直位置調整機構を備える高エネルギービーム溶接用回転治具。

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