JP2607885B2

JP2607885B2 - 自動車内燃機関用排気マニホールドの製造方法

Info

Publication number: JP2607885B2
Application number: JP17551287A
Authority: JP
Inventors: 幸一飛田; 敏治中島
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1987-07-14
Filing date: 1987-07-14
Publication date: 1997-05-07
Anticipated expiration: 2012-05-07
Also published as: JPS6418580A

Description

【発明の詳細な説明】 A.発明の目的（１）産業上の利用分野本発明は、複数の排気管とそれら排気管を集合する函
体とを備えた自動車内燃機関用排気マニホールドの製造
方法に関する。

（２）従来の技術従来、この種排気マニホールドは、鋳鉄、アルミニウ
ム合金等を用い鋳造法を適用して製造されている。

（３）発明が解決しようとする問題点しかしながら鋳造法による排気マニホールドは、肉厚
が厚くなるため重量が重く、また複雑な金型および大型
の鋳造設備を必要とするのでコスト高となり、さらに内
面が鋳肌であるため面粗度が大きくなり流炉抵抗が高い
といった種々の問題がある。

そこで、軽量化を図る等、前記鋳造法の問題点を解決
するため、排気マニホールドをステンレス鋼よりなる構
造材料を用い溶接法を適用して製造することが考えられ
る。

ステンレス鋼としては、オーステナイト系、マルテン
サイト系およびフェライト系のものが知られているが、
オーステナイト系ステンレス鋼の場合は、熱膨張係数が
軟鋼の1.5倍と高いため溶接熱による熱歪みが大きく、
残留応力も発生し易いといった問題があり、またマルテ
ンサイト系ステンレス鋼の場合は、極めて硬く、脆いた
め溶接によって割れが発生し易いといった問題がある。

一方、フェライト系ステンレス鋼は比較的安価で、ま
た熱膨張係数も比較的低いといった利点を有するため溶
接法を適用されている。この場合、フェライト系ステン
レス鋼の溶接条件は、一般に、板厚２〜3mmにおいて溶
接速度40〜50cm/min、入熱速度5000〜10000J/cmにそれ
ぞれ設定される。

本発明者等は前記実情に鑑み、フェライト系ステンレ
ス鋼を構成材料として溶接法の適用下で排気マニホール
ドを製造すべく種々検討を加えた結果、以下に述べるよ
うな問題であることを究明した。

（ａ） JIS G0552にて粒度番号６程度のフェライト結
晶粒度を有する前記ステンレス鋼にあっては、溶接熱の
影響を受けた部分が、粒度番号２程度まで粗粒化する。
そして、溶接ビード幅は８〜10mmと広くなり、裏側にま
で溶接熱の影響による粗粒化が及ぶため粗粒域は極めて
広範囲となり、著しい脆化現象を生じる。

（ｂ）入熱量を前記のように5000〜10000J/cmに設定
すると、比較的余盛の大きな溶接ビードが形成されるた
め、溶接トウ部に応力が集中し、その結果、成形加工時
の残留応力の外に、常に過酷な冷熱ストレスと振動によ
る応力を受ける排気マニホールドにおいては、溶接トウ
部からクラックが入り、ガス洩れを生じる。

本発明は前記のような種々の問題を解決することので
きる前記製造方法を提供することを目的とする。

B.発明の構成（１）問題点を解決するための手段本発明は、複数の排気管と、それら排気管を集合する
函体とを備えた自動車内燃機関用排気マニホールドを製
造するに当り、フェライト系ステンレス鋼よりなる複数
の電縫管と、フェライト系ステンレス鋼よりなる板材と
を用意し、各電縫管は、その電縫部のフェライト結晶粒
度を、JIS G0552にて粒度番号４以上に、且つ前記電縫
部を除く主体部のフェライト結晶粒度を、前記JIS規格
にて粒度番号６以上にそれぞれ設定されて40％以上の伸
び率を有すると共に５μｍ以下の面粗度（Rmax）を有
し、前記板材は、前記主体部と同様に、フェライト結晶
粒度を、前記JIS規格にて粒度番号６以上に設定されて4
0％以上の伸び率を有すると共に５μｍ以下の面粗度（R
max）を有し、各電縫管を用いて各排気管を、また前記
板材を用いて各排気管を挿入する複数の孔部を有する前
記函体をそれぞれ塑性加工により成形し、次いで溶接部
の最大硬度をマイクロビッカースにて300〜350MVNにし
得るフェライト系ステンレス鋼よりなり、且つ表面に送
給抵抗低減用コーティング処理を施したワイヤを用い
て、溶接速度100〜160cm/minおよび入熱量2000〜2500J/
cmの条件下で、各排気管と前記函体の各孔部周縁とをMI
G溶接することを特徴とする。

（２）作用前記排気管および函体を構成するフェライト系ステン
レス鋼は安価であり、また熱膨張係数が低い、といった
特性を有する。

排気管成形時には電縫管に厳しい３次元曲げ加工を、
また函体成形時には板材に深絞り加工をそれぞれ施さな
ければならないが、これら電縫管および板材において
は、フェライト結晶粒の微細化により40％以上の伸び率
を実現しており、また前記のように面粗度を設定するこ
とにより曲げおよび絞り加工時のかじり現象の発生を防
止し得るので、塑性加工上何等問題を生じることはな
い。

溶接に用いられるワイヤは、フェライト系ステンレス
鋼より構成され、その化学成分を、溶接部の最大硬度が
マイクロビッカース300〜350MVNになるように設定する
ことによって、溶接部において、その強度を確保すると
共にマルテンサイト析出による硬化割れを防止すること
ができる。またワイヤの表面にフッ素樹脂を用いてコー
ティング処理を施すことにより、そのワイヤの送給抵抗
を低減すると共にそのばらつきを回避することができ
る。

前記のような高速溶接および入熱量の抑制といった溶
接条件を採用すると、冷却速度を向上させると共に溶接
熱の影響を受けた部分のフェライト結晶粒度をJIS GO5
52にて粒度番号４〜５に抑え、また粗粒域も溶接部周辺
といった極めて狭い範囲内にとどめることができる。そ
の上、高速溶接により形成される溶接ビードは、溶接ト
ウ部に対して応力集中が少ない平坦形状であり、これに
より耐久性を向上させることができる。

（３）実施例第１図、第２図（ａ），第３図（ａ）は自動車用４気
筒内燃機関に用いられる排気マニホールド１を示し、そ
の排気マニホールド１は、４本の第１〜第４排気管2₁〜
2₄と、それら排気管2₁〜2₄の入口側に、各排気管2₁〜2₄
を分離させて溶着されたフランジ３と、それら排気管2₁
〜2₄の出口側に、各排気管2₁〜2₄を集合させて溶着され
た函体４とよりなる。w₁,w₂は溶接ビードを示す。

表Ｉは各排気管2₁〜2₄および函体４を構成する、チタ
ンを添加した低炭素、低窒素のフェラト系ステンレス鋼
の化学成分を示す。

各排気管2₁〜2₄は、前記ステンレス鋼よりなる厚さ2.
5mm、面粗度（R_max）５μｍ以下の電縫管に３次元曲げ
加工を施して成形される。また函体４は、前記ステンレ
ス鋼よりなる厚さ2.5mm、面粗度（R_max）５μｍ以下の
板材を用いて、深絞り加工、第１および第４排気管2₁,2
₄を挿入する孔部5₁,5₄のバーリング加工、第２および第
３排気管2₂,2₃を挿入する孔部5₂,5₃のピアシング加工等
を行うことにより成形される。

このような加工を行っても、前記ステンレス鋼におい
ては炭素と窒素の含有量をそれぞれ0.010重量％、0.015
重量％以下と低くし、またチタンを0.31重量％添加して
炭素の実質的な固溶量を減じると共にフェライト結晶粒
の微細化を図って40％以上の伸び率を実現し、その上前
記のように面粗度を設定することにより曲げおよび絞り
加工時のかじり現象の発生を防止しているので、加工上
何等問題を生じることはない。

また炭素の固溶量の減少により、溶接加熱後の放冷に
よるマルテンサイト析出に起因した脆化を防止すること
ができる。

さらにクロムの含有量を11〜12重量％、実施例では1
1.55重量％に抑えているので、高クロムフェライト系ス
テンレス鋼に特有の475℃脆性の発生を回避することが
できる。

その上、前記ステンレス鋼は安価で、熱膨張係数が低
いといった利点もある。

加工中のクラック発生を防止すべく、前記ステンレス
鋼よりなる板材および電縫管の電縫部を除く主体部の加
工前のフェライト結晶粒度は、JIS G0552にて粒度番号
６以上に、また電縫管の電縫部は前記JIS規格にて粒度
番号４以上にそれぞれ設定される。

溶接に用いられるワイヤは、フェライト系ステンレス
鋼より構成され、その化学成分を、表IIに示すように溶
接部の最大硬度がマイクロビッカース300〜350MVNにな
るように設定することによって、溶接部において、その
強度を確保すると共にマルテンサイト析出による硬化割
れを防止することができる。またワイヤの表面にフッ素
樹脂を用いてコーティング処理を施すことにより、その
ワイヤの送給抵抗を低減すると共にそのばらつきを回避
することができる。

溶接用電源としては、アークスタート時の高速電流立
ち上がり特性、アーク長安定化制御機能、溶滴移行の再
アーク発生予知機能等を持つ高性能インバータ式MIG溶
接用電源を使用する。

第４図は前記溶接用電源の電源特性を示し、（ｉ）は
アーク発生過程、（ii）は溶滴成長過程、（iii）は短
絡過程、（iv）は溶融池成長過程、（ｖ）は溶滴移行過
程にそれぞれ対応する。

このような電源特性を有する溶接用電源を用いること
により、（ａ）アーク停止時に、自動的に溶滴移行を完了させ
て、ワイヤ先端の残留玉を無くすと共にアークスタート
時の電流立ち上がり速度を従来電源の500A/msec前後か
ら3000A/msec前後に引上げて電流密度の低下を防止し、
これによりアークスタートの失敗を回避することができ
る。

（ｂ）溶滴短絡直後の不安定な状態において、一定時
間低電流レベルを維持して確実な短絡を行ない、これに
より大粒スパッタの発生を防止することができる。

（ｃ）短絡後は、急速に電流を立上がらせ、大きな短
絡エネルギを供給して、速やかな溶滴移行を行ない、こ
れにより単位時間中の溶滴移行回数を高めて細密なビー
ドを形成することができる。

（ｄ）溶滴移行を完了する直前にあらわれるピンチ効
果を利用して再アーク発生を予知し、これにより瞬間的
に電流を低下させて、電磁力によるスパッタの発生を抑
制することができる。

（ｅ）電流を精密に抑制してアーク発生中の電圧変動
を抑制し、これによりアーク長を一定に保つことができ
る。

上記電源特性を有する溶接用電源を用いることによっ
て、高速溶接条件でも安定した溶接品質を実現すること
が可能となる。

第５図は従来の溶接用電源の電源特性を示し、このよ
うな電源特性を有する溶接用電源を用いると、（ａ）前回の溶接作業においてワイヤ先端に残った溶
滴の残留玉によってアークスタート時に電流密度が低下
し、アークスタートの失敗率が高くなる。

（ｂ）溶滴の短絡状態が、しばしば不安定な状態とな
り、短絡直後に短絡状態が破れてアークを発生し、大粒
のスパッタを生じる。

（ｃ）短絡中に供給されるエネルギが小さいため溶融
池の成長が遅く、溶滴移行の時間が長くなり、単位時間
当りの溶滴移行回数が少なくなって、ビードが粗くな
る。

（ｄ）溶滴移行を完了した後の再アーク発生の瞬間
に、溶滴移行しきれずにワイヤに残った溶滴や溶融池の
一部が大電流の電磁力で吹き飛ばされ、大量のスパッタ
を生じ、またアーク発生中の電圧変動により、アーク長
が不安定になる。

溶接条件は次の通りである。即ち、電流:200〜240A、
電圧:20〜24V、ワイヤ直径:1.2mm、エクステンション
（ワイヤ突出し長さ）:10〜12mm、溶接速度:100〜160cm
/min、入熱量:2000〜2500J/cm、シールドガス：アルゴ
ン85％および炭酸ガス15％の混合ガス、シールドガス供
給量：約20/minである。また仮付けは必要最小限と
し、アークスタート位置と溶接終了位置が重なるように
して、アークスタート位置の重複を避け、部分的な過大
余盛の発生を回避する。さらにアークスタートと溶接終
了が重なる部分、相隣る排気管2₁,2₂等が最も接近して
いる部分、トーチ姿勢に大きな制約を受ける部分、各排
気管2₁〜2₄の電縫部、仮付け部等においては、溶接部に
欠陥を生じやすいので、これらが重複しない様に配慮す
る。

溶接施工法は、各排気管2₁〜2₄の外周部を１本の排気
管当り２工程以上に分けて溶接ロボットによりMIG溶接
するといった手法を採用する。その際、第２図（ｂ）、
第３図（ｂ）に示すように各排気管2₁〜2₄と函体４の各
孔部5₁〜5₄とのクリアランスｃを1.0mm以下とし、また
孔部5₁,5₄のバーリング加工、およびピアシング加工に
よる孔部5₂,5₃への1.5C程度の面取り加工の採用によっ
て、開先効果を与え溶接品質を安定させる。第２図
（ｂ）において、ｉは面取りによる斜面である。

次に、第６図（ａ），（ｂ）により溶接作業手順につ
いて説明する。なお、フランジ３には、各排気管2₁〜2₄
を挿入する孔部が形成されている。

（Ｉ）各排気管2₁〜2₄と函体４との溶接〔第６図
（ａ）〕第１工程：第２排気管2₂において、点ａ→点ｂ間の優弧
状の範囲（第１図手前側）を溶接する。

第２工程：第３排気管2₃において、点ｃ→点ｄ間の優弧
状の範囲（第１図手前側）を溶接する。

第３工程：第３排気管2₃において、点ｄ→点ｃ間の劣弧
状の範囲（第１図向い側、したがって機関側）を溶接す
る。

第４工程：第２排気管2₂において、点ｂ→点ａ間の劣弧
状の範囲（第１図向い側）を溶接する。

第５工程：第１排気管2₁において、点ｅ→点ｆの略半周
範囲（第１図向い側）を溶接する。

第６工程：第１排気管2₁において、点ｆ→点ｅの残りの
略半周範囲（第１図手前側）を溶接する。

第７工程：第４排気管2₄において、点ｇ→点ｈの略半周
範囲（第１図向い側）を溶接する。

第８工程：第４排気管2₄において点ｈ→点ｇの残りの略
半周範囲（第１図手前側）を溶接する。

（II）各排気管2₁〜2₄とフランジ３との溶接〔第６図
（ｂ）〕第１工程：第４排気管2₄において、点ｊ→点ｋ間の優弧
状範囲（第１図左側）を溶接する。

第２工程：第３排気管2₃において、点ｍ→点ｎの略半周
範囲（第１図左側）を溶接する。

第３工程：第２排気管2₂において、点ｏ→点ｐの略半周
範囲（第１図左側）を溶接する。

第４工程：第１排気管2₁において、点ｑ→点ｒの略半周
範囲（第１図左側）を溶接する。

第５工程：第１排気管2₁において、点ｒ→点ｑの残りの
略半周範囲（第１図左側）を溶接する。

第６工程：第２排気管2₂において、点ｐ→点ｓ間の劣弧
状範囲（第１図右側）を溶接する。

第７工程：第３排気管2₃において、点ｎ→点ｔ間の劣弧
状範囲（第１図右側）を溶接する。

第８工程：第４排気管2₄において、点ｋ→点ｊ間の劣弧
状範囲（第１図右側）を溶接する。

第９工程：第２排気管2₂において、点ｓ→点ｏ間の残り
の劣弧状範囲（第１図下側）を溶接する。

第10工程：第３排気管2₃において、点ｔ→点ｍ間の残り
の劣弧状範囲（第１図下側）を溶接する。

C.発明の効果本発明によれば、自動車内燃機関用排気マイホールド
において、複数の排気管および各排気管を集合する函体
の構成材料として、前記のように特定されたフェライト
系ステンレス鋼よりなる電縫管および板材を用いるの
で、各排気管および函体の成形に当り、曲げおよび絞り
加工を容易、且つ確実に行うことができる。

また各排気管と函体と気密溶接構造にするに当り、高
速MIG溶接法を適用するので、溶接熱の影響によるフェ
ライト結晶粒の粗大化および過大な余盛による応力集中
を防止して、実稼働時に受ける冷熱ストレス、振動、残
留応力の影響に十分に耐えることのできる高品質な排気
マニホールドを提供することができる。

さらに、軽量であって、自動車内燃機関の燃費向上に
極めて有効な排気マニホールドを提供することができ
る。

さらにまた、内面の平滑化による排気ガスの流路抵抗
の減少および熱容量の減少により、冷間始動時における
触媒加温時間を短縮して排気ガスの浄化を効果的に行う
ことのできる排気マニホールドを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は排気マニホールドの正面図、第２図（ａ）は第
１図II a矢示部の拡大断面図、第２図（ｂ）は第１図II
a矢示部の溶接前の拡大断面図、第３図（ａ）は第１図
III a矢示部の拡大断面図、第３図（ｂ）は第１図III a
矢示部の溶接前の拡大断面図、第４図は本発明に用いら
れるMIG溶接用電源の電源特性を示すグラフ、第５図は
従来のMIG溶接用電源の電源特性を示すグラフ、第６図
（ａ）は各排気管と函体との溶接作業手順を示す説明
図、第６図（ｂ）は各排気管とフランジとの溶接作業手
順を示す説明図である。１……排気マニホールド、2₁〜2₄……第１〜第４排気
管、４……函体、5₁〜5₄……孔部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の排気管と、それら排気管を集合する
函体とを備えた自動車内燃機関用排気マニホールドを製
造するに当り、フェライト系ステンレス鋼よりなる複数
の電縫管と、フェライト系ステンレス鋼よりなる板材と
を用意し、各電縫管は、その電縫部のフェライト結晶粒
度を、JIS G0552にて粒度番号４以上に、且つ前記電縫
部を除く主体部のフェライト結晶粒度を、前記JIS規格
にて粒度番号６以上にそれぞれ設定されて40％以上の伸
び率を有すると共に５μｍ以下の面粗度（Rmax）を有
し、前記板材は、前記主体部と同様に、フェライト結晶
粒度を、前記JIS規格にて粒度番号６以上に設定されて4
0％以上の伸び率を有すると共に５μｍ以下の面粗度（R
max）を有し、各電縫管を用いて各排気管を、また前記
板材を用いて各排気管を挿入する複数の孔部を有する前
記函体をそれぞれ塑性加工により成形し、次いで溶接部
の最大硬度をマイクロビッカースにて300〜350MVNにし
得るフェライト系ステンレス鋼よりなり、且つ表面に送
給抵抗低減用コーティング処理を施したワイヤを用い
て、溶接速度100〜160cm/minおよび入熱量2000〜2500J/
cmの条件下で、各排気管と前記函体の各孔部周縁とをMI
G溶接することを特徴とする自動車内燃機関用排気マニ
ホールドの製造方法。
【請求項２】前記MIG溶接において、高性能インバータ
式MIG溶接用電源を用いる、特許請求の範囲第（１）項
記載の自動車内燃機関用排気マニホールドの製造方法。
【請求項３】各排気管と前記函体の各孔部とのクリアラ
ンスを1.0mm以下に設定した、特許請求の範囲第（１）
または第（２）項記載の自動車内燃機関用排気マニホー
ルドの製造方法。