JP2831477B2 - 高エネルギー密度ビーム溶接法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種精密部品等の被溶
接部材の照射面にビーム溶接装置によってレーザ光及び
電子ビーム等の高エネルギー密度ビームを照射して被溶
接部材を溶接する高エネルギー密度ビーム溶接法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の高エネルギー密度ビーム溶接法に
あっては、図９に断面図で示されているように、上下の
被溶接部材６，７のうち下側の被溶接部材７の上面に溶
接したい部位に対応した突起７ａが設けられ、この突起
７ａの端面に上側の被溶接部材６の下面が接面されてい
る。そして、前記突起７ａに対応した位置において、前
記被溶接部材６の上面の照射面６Ａにビーム溶接装置
（図示省略）によってレーザ光及び電子ビーム等の高エ
ネルギー密度ビーム（符号８を付す）が照射されること
により、前記被溶接部材７の突起７ａと被溶接部材６と
の接合面において溶接がなされている。なお前記被溶接
部材６の照射面６Ａは平坦面をなしているため、前記溶
接の際に、いずれの位置においてもビーム溶接装置の集
束レンズ９の焦点Ｆに合う（これを合焦という）する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら前記従来
の場合、その溶接の際には溶接したい部位、すなわち突
起７ａに対応する位置において、被溶接部材６，７を一
々正確に位置決めしなければならない。すなわち、その
位置決めが不十分であると、溶接個所でないところで溶
接がなされたり、有害なスパッタが発生したりする。こ
のため、位置決め治具による被溶接部材の正確な位置決
めが必要とされることから、製作コストが高く付いた
り、製作上のミスが多く発生したり、また位置決め作業
に長い時間がかかるので生産性が低いといった問題があ
る。

【０００４】前記従来の問題点について具体例を挙げて
説明する。エンジンに用いられるインジェクタのバルブ
サブアッセンブリを側面図で示した図１０、図１０のＸ
Ｉ−ＸＩ線断面拡大図を示した図１１において、バルブ
４の軸端部の側面を切除して形成した二面幅の取付部４
ａに円筒状をしたアーマチャ３が嵌合されたのち、その
嵌合部分の外周にビーム溶接装置、例えばレーザ装置
（図示省略）からのレーザ光（符号１を付す）が適数個
所（図では８個所を示す）において照射されることによ
り、前記取付部４ａにアーマチャ３がレーザ溶接されて
いる。なおバルブサブアッセンブリは、図示しない移動
装置にて支持されるとともに、その移動装置によって軸
線Ｘを中心として回動され、各溶接個所毎にレーザ光１
の照射がなされるように位置決めされる。前記レーザ光
１は、レーザ装置の集束レンズ２により集光され、その
焦点に合焦するアーマチャ３の外周上に照射される。な
お、図１１にレーザ光１により溶融された溶接部を符号
１Ａ〜１Ｈで示し、また溶接時のレーザ光１の照射位置
及び方向を矢印１ａ〜１ｈで示した。このバルブサブア
ッセンブリでは、バルブ４の取付部４ａとアーマチャ３
との間の空隙部を燃料通路５としている。

【０００５】前記バルブサブアッセンブリでは、前記レ
ーザ光１の照射が図１１中の矢印１ａ〜１ｈで示された
所定の位置にて行われるように正確に位置決めされなけ
ればならない。この位置決めが不十分な時には、有害な
溶接スパッタが燃料通路５内に発生し、インジェクタの
作動不良の原因となるおそれがある。またバルブサブア
ッセンブリは精密な機能部品であり、前記溶接部１Ａ〜
１Ｈが燃料通路５に僅かにはみ出すと、そのはみ出した
部分から溶接スパッタが発生し、前記燃料通路５の内部
に付着するおそれがある。この付着した溶接スパッタは
除去するのが大変困難であり、その大きさは直径０．０
５〜０．２ｍｍ程度である。従って、本バルブサブアッ
センブリをインジェクタに組み込んだのち、前記溶接ス
パッタが脱落すると、これまたインジェクタの作動不良
の原因になる。なおインジェクタのバルブサブアッセン
ブリとしては、レーザ光又は電子ビームの溶接によるも
のが特開昭５７−７９２５７号公報、実開平１−１４９
５６９号公報、特開昭５４−１５１７２８公報等にて開
示されている。

【０００６】そこで本発明は、前記した問題点を解決す
るためになされたものであり、その目的は位置決め治具
等を使用することなく、被溶接部材の所定の位置にて正
確に溶接することのできる高エネルギー密度ビーム溶接
法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決する請求
項１の発明は、 一方の被溶接部材の照射面にビーム溶接
装置によってレーザ光及び電子ビーム等の高エネルギー
密度ビームを照射して前記一方の被溶接部材とその反照
射側に接面させた他方の被溶接部材を溶接する高エネル
ギー密度ビーム溶接法において、前記一方の被溶接部材
の照射面に、溶接の際に前記ビーム溶接装置の集束レン
ズの焦点に合う溶接対応面と、その焦点に合わない非溶
接面をその被溶接部材自体の凹凸面によって形成し、前
記ビーム溶接装置によって前記高エネルギー密度ビーム
を前記一方の被溶接部材の照射面に照射した状態で、両
被溶接部材を前記集束レンズの光軸に対し直交する方向
に移動させる高エネルギー密度ビーム溶接法である。

【０００８】

【作用】前記手段によれば、ビーム溶接装置の集束レン
ズの光軸に対し直交する方向の両被溶接部材の移動に伴
い、ビーム溶接装置によって集束レンズを通して照射さ
れるレーザ光及び電子ビーム等の高エネルギー密度ビー
ムが一方の被溶接部材の凹凸面による溶接対応面におい
て合うことにより溶接がなされ、また前記凹凸面による
非溶接面においては焦点（いわゆるピント）が合わない
ので照射不足となって溶接がなされない。したがって、
一方の被溶接部材の照射面にその被溶接部材自体の凹凸
面によって溶接対応面を形成したことにより、従来必要
とした位置決め治具、例えば、両被溶接部材を所定の溶
接位置に位置決めする位置決め治具等を使用することな
く、両被溶接部材を移動させながらも所定の溶接位置に
て正確に溶接を行うことができる。

【０００９】

【実施例】〔実施例１〕本発明の実施例１を説明する。 図１に示される断面図において、上下の被溶接部材１
１，１０のうち下側の被溶接部材１０の上面に溶接した
い部位に対応した突起１０ａが設けられている。この突
起１０ａの端面が上側の被溶接部材１１の下面に接面さ
れている。上側の被溶接部材１１の上面が、ビーム溶接
装置（図示省略）によって照射されるレーザ光及び電子
ビーム等の高エネルギー密度ビーム（符号１３を付す）
の照射面１２となっている。なおビーム溶接装置は、周
知のとおりであるからその装置説明は省略する。しかし
て前記照射面１２は、凹凸面に形成されており、その凹
面部が溶接の際に前記ビーム溶接装置の集束レンズ１４
の焦点Ｆに合焦する溶接対応面１２ａとされ、また凸面
部が前記焦点Ｆの前側にずれる位置となる非溶接面１２
ｂとなっている。しかして前記凹面の溶接対応面１２ａ
は、前記突起１０ａにほぼ対応する位置に設けられてい
る。

【００１０】前記被溶接部材１０，１１の溶接に際して
は、前記ビーム溶接装置によって高エネルギー密度ビー
ム１３を照射面１２に一定量の照射量をもって照射した
状態で、その被溶接部材１０，１１を水平方向（図示矢
印Ｙ方向）に移動させ、前記照射面１２を集束レンズ１
４の光軸１４ａに対し直交する方向に移動させる。する
と、被溶接部材１０，１１の移動に伴い、ビーム溶接装
置によって集束レンズ１４を通して照射される高エネル
ギー密度ビーム１３が前記照射面１２の溶接対応面１２
ａにおいて合焦することにより溶接がなされ、また非溶
接面１２ｂにおいてはピントが合わないので照射不足と
なって溶接がなされない。よって、被溶接部材１０，１
１の照射面１２の形状とビーム１３の焦点Ｆによるビー
ムパワー密度コントロールによって、複雑な溶接位置の
位置決めを要することなく、必要部位の溶接が可能にな
る。なお、本実施例における下側の被溶接部材１０の接
合面（上面）を平坦面として前記突起１０ａを排除した
場合でも、上側の被溶接部材１１の溶接対応面１２での
溶接を行うことができる。この場合、両被溶接部材１
０，１１の相互間の位置決めを省略することが可能であ
る。

【００１１】〔実施例２〕次に、本発明の実施例２につ
いて説明する。本例は、エンジンに用いられるインジェ
クタのバルブサブアッセンブリにおける溶接に前記実施
例１を具体的に実施したものである。インジェクタのバ
ルブサブアッセンブリを側面図で示した図２において、
中実状バルブ１７の軸端部には円柱状の取付部１７ａが
形成されている。この取付部１７ａには、略円筒状をし
たアーマチャ１５が嵌合されている。しかして、アーマ
チャ１５の嵌合部分は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面拡
大図である図３に示されているように、その側面を切除
した二面幅の外形に形成されており、その二面幅を形成
する壁の外壁に切欠き部２１が形成され、その内壁に前
記取付部１７ａの外周部が係合される円弧状の嵌合溝２
０が形成されている。またアーマチャ１５の大径側部分
の対向する壁と前記取付部１７ａとの間の空隙部が燃料
通路１８になっている。バルブ１７とアーマチャ１５と
を溶接により一体化する場合について説明する。図３，
４において、前記バルブ１７の取付部１７ａにアーマチ
ャ１５が嵌合されたのち、その嵌合したバルブサブアッ
センブリは、図示しない移動装置にて支持されるととも
に、その移動装置によって軸線Ｘを中心として回動させ
られる。この状態で、両部材１５，１７の嵌合部分の外
周面（照射面）に、垂直な方向からビーム溶接装置、例
えばレーザ装置からのレーザ光（符号１６を付す）が集
束レンズ２２により集光され、一定量でもって照射され
る。この照射により溶接部１９において溶接がなされ、
バルブサブアッセンブリが完成する。なお、図３に溶接
時のレーザ光１４の主な照射位置及び方向を矢印ａ〜ｆ
で示した。

【００１２】詳しくは、レーザ装置の集束レンズ２２に
より集光されたレーザ光１４が照射されると、バルブサ
ブアッセンブリの回動（図４において右回り方向の回
動）に伴い、その各照射位置ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆに
おいてその軸心からの距離が変わる、すなわち集束レン
ズ２２に対する対物距離が変わるため、焦点Ｆに対する
ずれが起きる。この焦点に対するずれ量と照射位置との
関係は、図４に表される。なお位置ｃ，ｆにおいて焦点
Ｆと対物距離が合致する、すなわちピントが合うように
設定されている。この図を見ると、わかるように仮に位
置ｃにレーザ光１６がバルブサブアッセンブリの照射面
に当たった場合、焦点Ｆに対するずれ量は０、すなわち
焦点Ｆが合うので、大きなパワー密度をもったレーザ光
１６が当該部位ｃに照射されることにより溶接がなされ
る。しかし、レーザ光１６の照射位置が位置ｄに近づく
につれて焦点Ｆに対するずれ量が次第に大きくなり、レ
ーザ光１６の照射不足となってそのパワー密度が低下さ
れていくので、位置ｄではアーマチャ１５のほぼ表面部
分しか溶融されず、溶接が起こらない。この状態が位置
ｅまで続く。そして位置ｆに近づくにつれて、再び焦点
Ｆに対するずれ量が次第に小さくなっていき、位置ｆで
は前記位置ｃと同様に焦点Ｆに対するずれ量が０となっ
て溶接がなされる。さらに位置ａに近づくにつれて焦点
Ｆに対するずれ量が次第に大きくなるので前記位置ｄと
同様に溶接が起こらない。この状態が位置ｂまで続いた
後、位置ｃに近づくにつれて、焦点Ｆに対するずれ量が
次第に小さくなっていく。

【００１３】このように、アーマチャ１５の外周に二面
幅による切欠き部２１を形成することによって、レーザ
光１６の照射量が一定であるが、被溶接部材であるバル
ブ１７とアーマチャ１５とを必要部位において溶接する
ことができる。本例の場合、アーマチャ１５の切欠き部
２１の面が実施例１における溶接対応面に該当し、その
他の面が非溶接面に該当する。前記したバルブサブアッ
センブリの溶接法によると、従来例で述べたようなバル
ブサブアッセンブリの位置決めを要することなく、必要
部位での溶接を正確に行うことができる。よって、イン
ジェクタの作動不良の原因となる溶接スパッタの発生を
防止することができる。

【００１４】〔実施例３〕次に、本発明の実施例３につ
いて説明する。本例は、前記実施例２の一部を変更した
ものであるから、同一部位については同一符号を付すこ
とによってその説明を省略し、異なる構成についてのみ
詳述する。本例のバルブサブアッセンブリは、図５に要
部断面図で示されているように、バルブ１７の取付部１
７ａが二面幅とされかつアーマチャ１５の内周が円筒面
とされたものである。すなわち、実施例２がアーマチャ
１５側にて燃料通路１８が形成されているのに対し、本
例ではバルブ１７側にて燃料通路２９が形成されたもの
である。本例によっても、前記実施例２と同等の作用効
果が得られる。なお本例によると、バルブ１７とアーマ
チャ１５の相互間の位置決めの考慮が要求される場合が
ある。

【００１５】〔実施例４〕次に、本発明の実施例４につ
いて説明する。本例は、前記実施例１の一部を変更した
ものであるから、同一部位については同一符号を付すこ
とによってその説明を省略し、異なる構成についてのみ
詳述する（以下、各実施例も準じる）。本例では、図６
に断面図で示されているように、下側の被溶接部材１０
の接合面を平坦面として、上側の被溶接部材１１の接合
面に前記突起１０ａに該当する突起１１ａを設けたもの
である。本例によっても、前記実施例１と同等の作用効
果が得られる。なお、この場合、両被溶接部材１０，１
１相互間の位置決めを省略することが可能である。

【００１６】〔実施例５〕次に、本発明の実施例５につ
いて説明する。本例では、図７に断面図で示されている
ように、下側の被溶接部材１０の接合面に設けた溝１０
ｂに、上側の被溶接部材１１の接合面に設けた突起１１
ｂを係合し、その上側の被溶接部材１１の照射面１２に
設けた凹所１２ｃにて溶接対応面を設けたものである。
本例によっても、前記実施例１と同等の作用効果が得ら
れる。なお、このように接合した被溶接部材１０，１１
の間に隙間がない場合にも、ビーム１３の断続動作をせ
ずに必要部位だけを溶接することができる。

【００１７】〔実施例６〕次に、本発明の実施例６につ
いて説明する。本例では、図８に断面図で示されている
ように、下側の被溶接部材１０の接合面を平坦面とし
て、その面と上側の被溶接部材１１の接合面との間に中
間部材３２を介在させている。本例によっても、前記実
施例１と同等の作用効果が得られる。

【００１８】なお本発明は前記各実施例に限定されるも
のではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変
更が可能である。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、ビーム溶接装置の集束
レンズの光軸に対し直交する方向に両被溶接部材を移動
させながら、高エネルギー密度ビームを一方の被溶接部
材の照射面に照射することにより溶接を行う場合に、一
方の被溶接部材の照射面にその被溶接部材自体の凹凸面
によって溶接対応面を形成したことにより、従来必要と
した位置決め治具、例えば、両被溶接部材を所定の溶接
位置に位置決めする位置決め治具等を使用することな
く、両被溶接部材を移動させながらも所定の溶接位置に
て正確に溶接を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１を示す断面図である。

【図２】本発明の実施例２を示すバルブサブアッセンブ
リの側面図である。

【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面拡大図である。

【図４】焦点ズレ量と溶接位置との関係を示す特性線図
である。

【図５】本発明の実施例３のバルブサブアッセンブリの
要部断面図である。

【図６】本発明の実施例４を示す断面図である。

【図７】本発明の実施例５を示す断面図である。

【図８】本発明の実施例６を示す断面図である。

【図９】従来例を示す断面図である。

【図１０】従来のバルブサブアッセンブリの側面図であ
る。

【図１１】図１０のＸＩ−ＸＩ線断面拡大図である。

【符号の説明】

１０，１１ 被溶接部材 １２ 照射面 １２ａ 溶接対応面 １２ｂ 非溶接面

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方の被溶接部材の照射面にビーム溶接
   装置によってレーザ光及び電子ビーム等の高エネルギー
   密度ビームを照射して前記一方の被溶接部材とその反照
   射側に接面させた他方の被溶接部材を溶接する高エネル
   ギー密度ビーム溶接法において、 前記一方の被溶接部材の照射面に、溶接の際に前記ビー
   ム溶接装置の集束レンズの焦点に合う溶接対応面と、そ
   の焦点に合わない非溶接面をその被溶接部材自体の凹凸
   面によって形成し、 前記ビーム溶接装置によって前記高エネルギー密度ビー
   ムを前記一方の被溶接部材の照射面に照射した状態で、
   両被溶接部材を前記集束レンズの光軸に対し直交する方
   向に移動させる高エネルギー密度ビーム溶接法。