JP2015000414A - レーザ溶接方法、溶接部材、および、燃料噴射弁 - Google Patents
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Abstract
Description
また、燃料噴射や生産能率の向上のため、電鋳法によるNiを含有する材質を用い、燃料微粒化や噴射性能を向上できる特殊な燃料通路と噴射孔を設けた厚板のノズルプレートが開発されている。このような板厚を増加したノズルプレートとノズル本体の溶接は、深溶込み型(キーホールモード)レーザ溶接を適用する必要がある。
本実施形態に係る溶接部材Fについて、図1を用いて説明する。なお、本実施形態に係る溶接部材Fは、例えば、自動車の内燃機関に使用される燃料噴射弁(インジェクタともいう)の噴射ノズルFである。以下、本実施形態に係る溶接部材Fは、燃料噴射弁の噴射ノズルFであるものとして説明する。図1(a)は本実施形態に係る溶接部材Fの縦断面図であり、図1(b)は本実施形態に係る溶接部材Fの先端側から見た平面図である。なお、図1(a)は図1(b)のA−A線で切断した縦断面図であり、図1(b)は溶接部材Fを図1(a)の矢印B方向に見た平面図である。
ノズルプレート1は、電気めっき法で製造されたニッケル含有量を50%以上含む金属材料で円板形状に形成され、板厚tが例えば0.50mmの薄板材である。ノズル本体2は、マルテンサイト系ステンレス鋼などの鋼鉄材料で略筒状に形成されている。
燃料噴射弁の噴射ノズル(溶接部材)Fは、ノズルプレート1とノズル本体2とを重ね合わせて、その重ね面のノズルプレート1の表面(ノズル本体2と接する側と反対側の面)側からレーザ光5(後述する図3等参照)を照射して金属材料が溶融した溶融池3a(後述する図4等参照)を形成することにより、深溶込み型(キーホールモード)レーザ溶接で溶接ビード3が形成され、ノズルプレート1とノズル本体2とが重ね継手(重ね溶接継手)で接合されている。また、図1(b)に示すように、溶接ビード3は、ノズルプレート1の周縁部(中央室11、連通路12、スワール室13を囲む範囲)に沿って周溶接(全周溶接)されている。このようにして周溶接することにより、ノズルプレート1とノズル本体2との境界面4の隙間が封止されることにより、境界面4から燃料が漏れ出るのを確実に防止できる。
溶接条件としては、例えば、図2に示すパルス波形のレーザピーク出力を100W〜600W、パルス幅(レーザ照射時間)Tpを5ms以下、パルスとパルスの間隔であるパルス停止幅(レーザ停止時間)Tbを5ms以下、溶接速度を4.0mm/s〜100mm/s、ノズルプレート1の表面に照射されるレーザ光のスポット径を0.05mm〜0.3mmで適宜設定することができる。
次に、図3から図6を用いて、キーホール6の形成および消失について説明する。なお、本実施形態では、パルス幅Tpを5msとし、パルス停止幅Tbを5msとする条件で溶接した場合を例に、レーザパルス照射開始から次のパルス照射直前におけるキーホール6の挙動を説明する。図3は、本実施形態におけるレーザ照射開始後0.1ms時点でのキーホールの生成機構を示す断面模式図である。図4は、本実施形態におけるレーザ照射開始後2.0ms時点でのキーホール6と溶融池3aの状態を示す断面模式図である。図5は、本実施形態におけるレーザ照射開始後5.0ms時点でのキーホール6と溶融池3aの状態を示す断面模式図である。図6は、本実施形態におけるレーザ照射停止後5.0ms時点でのキーホール6と溶融池3aの状態を示す断面模式図である。なお、図3から図6(および後述する図7から図10)は断面図を示しているが、説明の便宜上ハッチングの図示を省略している。
図7に示すように、上記のパルス波形を用いた深溶込み型(キーホールモード)レーザ溶接により、溶接ビード3を備えた重ね溶接継手を得た。この重ね溶接継手において、例えば、ノズルプレート1の表面に形成される溶接ビード3の断面形状の表面幅は、0.6mmであり、ノズルプレート1の表面から溶接ビード3の底部までの全体の溶込み深さは、0.8mmであった。また、前記したように、ノズルプレート1の板厚が0.5mmであり、境界線(境界面4)から溶接ビードの底部までの深さは、0.30mmであった。
次に、図8を用いて、比較例1におけるキーホールの状態とポロシティの発生を説明する。図8は、比較例1におけるレーザ照射開始後10.0ms時点でのキーホール6と溶融池3aの状態を示す断面模式図である。即ち、図8に示す比較例1は、図5に示すレーザ照射時間が5msになった時点から、さらにレーザ照射を継続し、レーザ照射時間が10ms(即ち、パルス幅Tp=10.0ms)とした場合である。
図9に示す比較例1における溶接ビード3の形状とサイズは、図7に示す本実施形態における溶接ビード3の形状とサイズとほぼ同じであるが、比較例1における溶接ビード3には、溶接金属内部に複数のポロシティ9が観察された。
次に、図10を用いて、比較例2におけるキーホールの状態とポロシティの発生を説明する。図10は、比較例2におけるレーザ照射停止後10.0ms時点でのキーホール6と溶融池3aの状態を示す断面模式図である。即ち、図10に示す比較例2は、図6に示すレーザ停止時間が5msになった時点から、さらにレーザ照射停止を継続し、レーザ停止時間が10ms(即ち、パルス停止幅Tb=10.0ms)とした場合である。
図11は、レーザ停止時間と、溶接ビード内に発生するポロシティ数と、の関係を示すグラフである。パルス停止幅Tbを変えながら溶接サンプルを作成し、作成した溶接サンプルに対して、X線透過検査を行い、溶接部のポロシティ数を計測した。なお、パルス幅Tpとパルス停止幅Tbは等しくした(Tp=Tb)。
2 ノズル本体(被溶接材)
3 溶接ビード
3a 溶融池
3b 中間部
4 境界面
5 レーザ光
6 キーホール
6a 凹み
7 金属蒸気
8 凹み
9 ポロシティ
11 中央室
12 連通路
13 スワール室(旋回室)
14 噴射孔
21 弁座
22 連通孔
F 噴射ノズル(溶接部材、燃料噴射弁)
Tp パルス幅(レーザ照射時間)
Tb パルス停止幅(レーザ停止時間)
Claims (8)
- 被溶接材にレーザ出力を周期的に変化させるパルスレーザを照射して深溶込み型レーザ溶接により溶接するレーザ溶接方法であって、
レーザ照射時間をキーホールが要求の溶込み深さとなるまでの形成時間とし、
レーザ停止時間を前記キーホールの中間部が閉じるまでの時間よりも短い時間とする
ことを特徴とするレーザ溶接方法。 - 前記パルスレーザのパルス周波数を100Hz以上とする
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ溶接方法。 - 第1被溶接材と、
第2被溶接材と、
前記第1被溶接材と前記第2被溶接材とを重ね合わせて、前記第1被溶接材の側から、レーザ出力を周期的に変化させるパルスレーザを照射して深溶込み型レーザ溶接により形成された溶接ビードと、を備え、
前記パルスレーザ光は、
レーザ照射時間をキーホールが要求の溶込み深さとなるまでの形成時間とし、
レーザ停止時間を前記キーホールの中間部が閉じるまでの時間よりも短い時間とする
ことを特徴とする溶接部材。 - 前記パルスレーザのパルス周波数を100Hz以上とする
ことを特徴とする請求項3に記載の溶接部材。 - 燃料を噴射する噴射孔が設けられたノズルプレートと、
ノズル本体と、
前記ノズルプレートと前記ノズル本体とを重ね合わせて、前記ノズルプレートの側から、レーザ出力を周期的に変化させるパルスレーザを照射して深溶込み型レーザ溶接により形成された溶接ビードと、を備え、
前記パルスレーザ光は、
レーザ照射時間をキーホールが要求の溶込み深さとなるまでの形成時間とし、
レーザ停止時間を前記キーホールの中間部が閉じるまでの時間よりも短い時間とする
ことを特徴とする燃料噴射弁。 - 前記パルスレーザのパルス周波数を100Hz以上とする
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料噴射弁。 - 前記溶接ビードは、
連続した周溶接によって構成される
ことを特徴とする請求項5に記載の燃料噴射弁。 - 前記ノズルプレートは、ニッケル材またはニッケル材と他の金属とが複合された複合素材である
ことを特徴とする請求項5に記載の燃料噴射弁。
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