JP2016049561A - 接合構造および接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車用エンジンのエキゾーストパイプの端部にフランジ部材が溶接された接合構造において、溶接時の作業時間を短縮し、十分な接合強度およびシール性を確保する。【解決手段】この接合構造１では、エキゾーストパイプ５は、その端部６が他の部分（本体部８、テーパー部７）より厚肉に形成されている。このエキゾーストパイプ５は、端部６の外径が他の部分の外径より大きく、かつ全長にわたって内径が略一定になっている。エキゾーストパイプ５の端部６とフランジ部材２の開口部３とは、端部６の端面６ａと開口部３の内壁３ａとが溶接されて接合されている。エキゾーストパイプ５の端部６の端面６ａは、フランジ部材２の開口部３の底面３ｂから所定量Ｌ１後退している。フランジ部材２の裏側（エキゾーストパイプ５が延伸していない側）からエキゾーストパイプ５とフランジ部材２とを溶接することにより、この接合構造１を形成することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、特に、自動車用エンジンのエキゾーストパイプ（排気管）、ＥＧＲパイプ等のパイプの端部にフランジ部材を接合する際に適用するのに好適な接合構造および接合方法に関するものである。

従来、自動車用エンジンのエキゾーストパイプの端部にフランジ部材を接合する際には、通常、エキゾーストパイプの端部をフランジ部材の開口部に挿入した状態で、このフランジ部材の表側（エキゾーストパイプが延伸している側）からエキゾーストパイプとフランジ部材との境界部を溶接している（例えば、特許文献１参照）。これは、自動車用エンジンを始動すると、その振動に起因してエキゾーストパイプとフランジ部材との境界部に応力が集中して発生し、そのためエキゾーストパイプやフランジ部材が破損しやすいことから、こうした振動による破損を未然に防止せんとするものである。

特開２０１４−９８４１２号公報（段落〔０００３〕、〔００１９〕、〔００４４〕の欄、図９、図１０）

しかしながら、このような接合方法では、エキゾーストパイプとフランジ部材との境界部の溶接作業をフランジ部材の表側から実施するため、溶接時にエキゾーストパイプを跨ぐ必要がある。したがって、このエキゾーストパイプが障害物になり、１パスで連続的に溶接することができない。その結果、溶接時の作業性が悪化して作業時間が長引くばかりでなく、溶接の信頼性が低下して接合強度およびシール性（気密性、水密性など）が不足する恐れがあった。

本発明は、このような事情に鑑み、溶接時の作業性を改善して作業時間を短縮するとともに、溶接の信頼性を高めて十分な接合強度およびシール性を確保することが可能な接合構造および接合方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、パイプの端部がフランジ部材の開口部に挿入され、前記パイプの前記端部と前記フランジ部材の前記開口部とが接合された接合構造であって、前記パイプは、前記端部が他の部分より厚肉に形成され、前記パイプの前記端部と前記フランジ部材の前記開口部とは、当該端部の端面と当該開口部の内壁とが溶接されて接合されている接合構造としたことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記パイプは、前記端部の外径が他の部分の外径より大きく、かつ全長にわたって内径が略一定になるように形成されていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の構成に加え、前記パイプの前記端部の前記端面は、前記フランジ部材の前記開口部の底面から所定量後退していることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の構成に加え、前記パイプは、本体部と、この本体部より厚肉の前記端部と、肉厚が漸次増加して前記本体部および前記端部を連結するテーパー部とから形成されていることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の構成に加え、前記パイプは、自動車用エンジンのエキゾーストパイプであることを特徴とする。

さらに、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の接合構造を形成する接合方法であって、筒状の素材の端部を増肉加工して前記パイプを作製する増肉工程と、この増肉工程において形成された前記パイプの端部がフランジ部材の開口部に挿入された状態で、当該端部の端面と当該開口部の内壁とを溶接する溶接実行工程とを有する接合方法としたことを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の構成に加え、前記増肉工程において、前記素材の前記端部を増肉加工する際に、前記素材の前記端部を拡径した後、この拡径された前記端部をしごきながら増肉加工することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、パイプの端部とフランジ部材の開口部とは、端部の端面と開口部の内壁とが溶接されて接合されているので、フランジ部材の裏側（パイプが延伸していない側）からパイプとフランジ部材とを溶接することにより、この接合構造を形成することが可能となる。その結果、パイプとフランジ部材との溶接に際して、溶接時の作業性を改善して作業時間を短縮するとともに、溶接の信頼性を高めて十分な接合強度およびシール性を確保することができる。

しかも、この接合構造においては、パイプの端部が他の部分より厚肉に形成されているので、たとえパイプやフランジ部材が振動し、その振動に起因してパイプとフランジ部材との境界部に応力が集中して発生した場合でも、パイプやフランジ部材が振動によって破損する事態の発生を抑制することが可能となる。

また、請求項２に記載の発明によれば、パイプは、端部の外径が他の部分の外径より大きく、かつ全長にわたって内径が略一定になるように形成されているので、パイプの内部に流体（気体、液体、粉粒体など）を通す場合に、その流体の流れをパイプの厚肉化によって乱す事態を回避することができる。

また、請求項３に記載の発明によれば、パイプの端部の端面がフランジ部材の開口部の底面から所定量後退しているので、パイプとフランジ部材とを溶接する際に、ビードがフランジ部材の開口部の底面を超えてフランジ部材の裏側へ食み出すことを防ぐことができる。その結果、フランジ部材の裏側が平面状である場合には、その平面度を維持することが可能となる。

また、請求項４に記載の発明によれば、パイプは、本体部と、本体部より厚肉の端部と、肉厚が漸次増加して本体部および端部を連結するテーパー部とから形成されているので、たとえパイプやフランジ部材が振動した場合でも、その振動に起因して発生する応力は、パイプのテーパー部の存在により、パイプとフランジ部材との境界部に集中することなく分散する。したがって、パイプやフランジ部材が振動によって破損する事態の発生を一層抑制することが可能となる。

また、請求項５に記載の発明によれば、パイプが自動車用エンジンのエキゾーストパイプであるため、自動車用エンジンのエキゾーストパイプの端部にフランジ部材を接合する際に適用して、上述した効果を奏することができる。

さらに、請求項６に記載の発明によれば、筒状の素材の端部が増肉加工されてパイプが作製された後、このパイプの端部がフランジ部材の開口部に挿入された状態で、パイプの端部の端面とフランジ部材の開口部の内壁とが溶接されるので、フランジ部材の裏側（パイプが延伸していない側）からパイプとフランジ部材とが溶接されることになる。その結果、パイプとフランジ部材との溶接に際して、溶接時の作業性を改善して作業時間を短縮するとともに、溶接の信頼性を高めて十分な接合強度およびシール性を確保することができる。

また、請求項７に記載の発明によれば、筒状の素材の端部を増肉加工する際に、素材の端部が拡径された後、この拡径された端部がしごかれながら増肉加工されるので、素材の内径を略一定に保持した状態で素材の端部を増肉加工することが可能になる。さらに、こうして素材から増肉加工されたパイプの内部に圧縮応力が残留するため、パイプやフランジ部材が振動した場合に、その振動に対するパイプの疲労強度を増大させ、パイプの寿命を伸ばすことができる。

本発明の実施の形態１に係る接合構造を示す斜視図である。 同実施の形態１に係る接合構造の要部を示す断面図である。 同実施の形態１に係る接合方法の増肉工程の手順を例示する断面図である。 本発明の実施の形態２に係る接合構造の要部を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
［発明の実施の形態１］
図１乃至図３には、本発明の実施の形態１を示す。

実施の形態１に係る接合構造１は、図１に示すように、略平板状に形成されたステンレス製の薄板のフランジ部材２を有しており、フランジ部材２には、４つの円形の開口部３が一直線上に並ぶように形成されている。各開口部３はそれぞれ、図２に示すように、その内壁３ａがバーリング加工によって略円錐状に形成されている。各開口部３にはそれぞれ、略円筒状に形成された自動車用エンジンのステンレス製のエキゾーストパイプ５が配管されて接合されている。

ここで、各エキゾーストパイプ５はそれぞれ、図３（ｄ）に示すように、本体部８と、この本体部８より厚肉の端部６と、肉厚が漸次増加して本体部８および端部６を連結するテーパー部７とから一体に形成されている。そして、エキゾーストパイプ５の外径については、端部６の外径Ｄ３が本体部８の外径Ｄ１より大きく（Ｄ１＜Ｄ３）、テーパー部７の外径Ｄ２が本体部８の外径Ｄ１と端部６の外径Ｄ３との間で漸次増加している。そのため、エキゾーストパイプ５は、端部６が他の部分（本体部８、テーパー部７）より厚肉になっている。一方、エキゾーストパイプ５の内径については、本体部８の内径Ｄ４、テーパー部７の内径Ｄ５および端部６の内径Ｄ６のすべてが略等しくなっている（Ｄ４＝Ｄ５＝Ｄ６）。つまり、エキゾーストパイプ５は、その全長にわたって内径Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６が略一定になるように形成されている。

そして、図２に示すように、このエキゾーストパイプ５の端部６がフランジ部材２の開口部３に挿入されており、端部６と開口部３とは、端部６の端面６ａと開口部３の内壁３ａとが全周溶接されて接合されている。なお、エキゾーストパイプ５の端部６の端面６ａは、フランジ部材２の開口部３の底面３ｂから所定量Ｌ１後退している。そのため、全周溶接のビード９は、この開口部３の底面３ｂを超えてフランジ部材２の裏側（エキゾーストパイプ５が延伸していない側、図２右側）へ食み出すことなくフランジ部材２の開口部３内に収まっている。

したがって、この接合構造１においては、上述したとおり、エキゾーストパイプ５は、端部６が他の部分（本体部８、テーパー部７）より厚肉に形成されているので、自動車用エンジンの始動に伴ってエキゾーストパイプ５やフランジ部材２が振動し、その振動に起因してエキゾーストパイプ５とフランジ部材２との境界部に応力が集中して発生した場合でも、エキゾーストパイプ５やフランジ部材２が振動によって破損する事態の発生を抑制することが可能となる。

しかも、エキゾーストパイプ５は、上述したとおり、本体部８と、この本体部８より厚肉の端部６と、肉厚が漸次増加して本体部８および端部６を連結するテーパー部７とから形成されているので、自動車用エンジンの始動に伴ってエキゾーストパイプ５やフランジ部材２が振動した場合でも、その振動に起因して発生する応力は、エキゾーストパイプ５のテーパー部７の存在により、エキゾーストパイプ５とフランジ部材２との境界部に集中することなく分散する。したがって、エキゾーストパイプ５やフランジ部材２が振動によって破損する事態の発生を一層抑制することが可能となる。

また、エキゾーストパイプ５は、上述したとおり、その全長にわたって内径Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６が略一定になるように形成されているので、エキゾーストパイプ５の内部に排気ガスを通すときに、この排気ガスの流れをエキゾーストパイプ５の厚肉化によって乱す事態を回避することができる。

次に、このような構成を有する接合構造１を形成する接合方法の一例について、図面を用いて説明する。

まず、パイプ準備工程で、図３（ａ）に示すように、エキゾーストパイプ５と同じ材質（つまり、ステンレス）からなる略円筒状の素材１０を準備する。この素材１０は、その全長にわたって肉厚Ｔ１が略一定になっている。

こうして、略円筒状の素材１０が準備されたところで、増肉工程に移行し、以下に述べる手順により、この素材１０の端部１１を増肉加工してエキゾーストパイプ５を作製する。なお、この増肉加工の方法は、以下の方法に限るわけではなく、切削加工その他の塑性加工を採用することも可能である。

すなわち、まず、図３（ｂ）に示すように、この素材１０の端部１１に背圧を掛けながら端部１１を拡管する。すると、素材１０は、その全長にわたって肉厚Ｔ１を略一定に保ったまま、端部１１の外径および内径が他の部分の外径および内径より大きくなる。なお、素材１０の拡管範囲は、増肉分の体積を考慮して決定する。

次いで、図３（ｃ）に示すように、この素材１０の端部１１をしごきながら増肉加工する。すると、素材１０は、その全長が短くなるとともに、主に端部１１の内径が減少する形で端部１１が増肉される。

さらに、図３（ｄ）に示すように、この素材１０の端部１１をしごきながら増肉加工して、端部１１の内径を他の部分の内径に略一致させる。すると、素材１０は、その全長にわたって内径が略一定になるとともに、端部１１の外径が他の部分の外径より大きくなる形で、端部１１が増肉された状態になる。その結果、この素材１０はエキゾーストパイプ５として使用できるようになる。

こうして、素材１０の端部１１が増肉加工されてエキゾーストパイプ５が作製されたところで、溶接実行工程に移行し、図２に示すように、このエキゾーストパイプ５の端部６をフランジ部材２の開口部３に挿入する。このとき、エキゾーストパイプ５の端部６の端面６ａをフランジ部材２の開口部３の底面３ｂから所定量Ｌ１後退させる。そして、この状態で、フランジ部材２の裏側（エキゾーストパイプ５が延伸していない側、図２右側）から、例えばレーザー溶接により、エキゾーストパイプ５の端部６の端面６ａとフランジ部材２の開口部３の内壁３ａとを全周溶接する。

このとき、エキゾーストパイプ５の端部６の端面６ａは、フランジ部材２の開口部３の底面３ｂから所定量Ｌ１後退しているので、この溶接を行っても、ビード９が開口部３の底面３ｂを超えてフランジ部材２の裏側へ食み出すことはない。その結果、フランジ部材２の裏側の平面度を維持することが可能となる。

ここで、この接合方法が終了し、接合構造１が形成される。

このように、この接合方法によれば、素材１０の端部１１が増肉加工されてエキゾーストパイプ５が作製された後、このエキゾーストパイプ５の端部６がフランジ部材２の開口部３に挿入された状態で、エキゾーストパイプ５の端部６の端面６ａとフランジ部材２の開口部３の内壁３ａとが溶接されるので、フランジ部材２の裏側からエキゾーストパイプ５とフランジ部材２とが溶接されることになる。したがって、エキゾーストパイプ５とフランジ部材２との溶接に際して、エキゾーストパイプ５が障害物になることはなく、１パスで連続的に溶接することが可能となる。その結果、溶接時の作業性を改善して作業時間を短縮するとともに、溶接の信頼性を高めて十分な接合強度およびシール性を確保することができる。

しかも、増肉工程において、筒状の素材１０の端部１１を増肉加工する際に、素材１０の端部１１が拡径された後、この拡径された端部１１がしごかれながら増肉加工されるので、素材１０の内径を略一定に保持した状態で素材１０の端部１１を増肉加工することが可能になる。さらに、こうして素材１０から増肉加工されたエキゾーストパイプ５には、その内部に圧縮応力が残留するため、自動車用エンジンの始動に伴ってエキゾーストパイプ５やフランジ部材２が振動した場合でも、その振動に対するエキゾーストパイプ５の疲労強度（疲労限度）を増大させ、エキゾーストパイプ５の寿命を伸ばすことができる。
［発明の実施の形態２］
図４には、本発明の実施の形態２を示す。

実施の形態２に係る接合構造１では、図４に示すように、上述した実施の形態１に比べて、フランジ部材２が厚板であるとともに、その開口部３が丸孔状に形成されている。その他の構成については、上述した実施の形態１と基本的に同様であるので、同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。

したがって、この実施の形態２では、上述した実施の形態１と同じ作用効果を奏する。
［発明のその他の実施の形態］
なお、上述した実施の形態１、２では、４本の略円筒状のステンレス製のエキゾーストパイプ５がフランジ部材２に接合された接合構造１について説明した。しかし、フランジ部材２に接合するエキゾーストパイプ５の本数は、４本に限るわけではなく、１本以上であれば何本でも構わない。また、このエキゾーストパイプ５の形状は、略円筒状に限るわけではなく、例えば、四角筒状、八角筒状であってもよい。さらに、このエキゾーストパイプ５の材質は、ステンレス以外であっても構わない。

また、上述した実施の形態１、２では、自動車用エンジンのエキゾーストパイプ５がフランジ部材２に接合された接合構造１について説明した。しかし、自動車用エンジンのエキゾーストパイプ５以外のパイプ（例えば、ＥＧＲパイプ、空気調和装置（エアコン）の冷媒配管、給水・給湯配管、集塵機の集塵ダクト、ジーゼル発電機用エキゾーストパイプ・燃料パイプ、産業機械用集中グリスアップパイプ、農機具用各種操作レバー、福祉車両用各種操作レバーなど）をフランジ部材２に接合する場合にも本発明を同様に適用することができる。

本発明は、自動車用エンジンの他、とりわけ使用時に振動する製品（例えば、自転車、玩具（おもちゃ）、建機など）に好適に適用することができる。

１……接合構造
２……フランジ部材
３……開口部
３ａ……内壁
３ｂ……底面
５……自動車用エンジンのエキゾーストパイプ（パイプ）
６……端部
６ａ……端面
７……テーパー部（他の部分）
８……本体部（他の部分）
Ｌ１……所定量

Claims (7)

1. パイプの端部がフランジ部材の開口部に挿入され、前記パイプの前記端部と前記フランジ部材の前記開口部とが接合された接合構造であって、
   前記パイプは、前記端部が他の部分より厚肉に形成され、
   前記パイプの前記端部と前記フランジ部材の前記開口部とは、当該端部の端面と当該開口部の内壁とが溶接されて接合されていることを特徴とする接合構造。
2. 前記パイプは、前記端部の外径が他の部分の外径より大きく、かつ全長にわたって内径が略一定になるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の接合構造。
3. 前記パイプの前記端部の前記端面は、前記フランジ部材の前記開口部の底面から所定量後退していることを特徴とする請求項１または２に記載の接合構造。
4. 前記パイプは、本体部と、この本体部より厚肉の前記端部と、肉厚が漸次増加して前記本体部および前記端部を連結するテーパー部とから形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の接合構造。
5. 前記パイプは、自動車用エンジンのエキゾーストパイプであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の接合構造。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の接合構造を形成する接合方法であって、
   筒状の素材の端部を増肉加工して前記パイプを作製する増肉工程と、
   この増肉工程において形成された前記パイプの端部がフランジ部材の開口部に挿入された状態で、当該端部の端面と当該開口部の内壁とを溶接する溶接実行工程と
   を有することを特徴とする接合方法。
7. 前記増肉工程において、前記素材の前記端部を増肉加工する際に、前記素材の前記端部を拡径した後、この拡径された前記端部をしごきながら増肉加工することを特徴とする請求項６に記載の接合方法。

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