JP3799599B2

JP3799599B2 - 溶接装置および溶接方法

Info

Publication number: JP3799599B2
Application number: JP2002011556A
Authority: JP
Inventors: 秀彰白井; 浩二村上; 則男田中; 佳希狩谷; 浩行仁科; 隆幸外尾
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2002-01-21
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2022-01-21
Also published as: US20020117561A1; JP2002321077A; US20050205535A1; DE10207946B4; DE10207946A1; US6919528B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２個以上の印加手段から加わるエネルギーにより、円筒部材の内側に他の円筒部材を挿入した状態で円筒部材同士を周方向に溶融して溶接する溶接装置および溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、２種以上の円筒部材を全周にわたって溶融して溶接する場合、エネルギー源が生成したエネルギーを一方向から加え全周溶接することが一般的である。例えば図８に示すように、円筒状の外筒部材２００の内側に外筒部材２００と横断面が同形状の内筒部材２０１を圧入し、外筒部材２００の外側に配置した光学ヘッド２１０からレーザ生成装置で生成したレーザ２１１を外筒部材２００に向けて照射し、両筒部材を回転させながら外筒部材２００と内筒部材２０１とを全周にわたって溶接することが考えられる。しかし、両筒部材の一箇所にだけエネルギーを加え全周にわたって溶接すると、溶融していない部分とエネルギーを加えられ溶融している部分と凝固し始めている部分との相対的な熱歪みバランスにより、図９の（Ａ）に示す両筒部材の溶接前の形状２２０から、図９に（Ｂ）に示すようにエネルギーを加えている方向と直交する方向に両筒部材は変形し、両筒部材の溶接箇所の断面が楕円状に変形する。
【０００３】
エネルギー源が生成したエネルギーを一方向から加え全周溶接をする場合に生じる溶接箇所の楕円化の過程を簡単に説明する。
溶接前の円筒部材の変形は、例えば円筒部材の内側に他の円筒部材を圧入して組み付けるときに生じる。そして、溶接による部材の膨張と収縮のバランスによりその変形が大きくなり、楕円形状に変形する。溶接前に図９の（Ａ）に示すように変形がなく真円に近い形状であっても、溶接後に図９の（Ｂ）に示すように変形する。溶接後の形状２２１は、真円に近い溶接前の形状２２０から溶接開始位置のエネルギー印加方向と交差する方向に楕円状に変形する傾向がある。図９に示す一点鎖線の円は、溶接箇所の内径および外径を示している。
【０００４】
溶接前の変形の有無に関わらず、溶接角度が９０°の範囲では、加熱膨張により円筒部材が楕円化し、変形量が増加する。溶接が進行し溶接角度が１８０°の範囲では、溶接の進行に伴う膨張と、溶接前半部分での凝固開始により生じる収縮とにより楕円化が緩和され、変形が減少する。溶接が進み溶接角度が２７０°の範囲では、溶接の進行に伴う膨張と、溶接前半部分での凝固による収縮とが重なるため、楕円化による変形量が再び増加する。溶接が進み溶接角度が３６０°の範囲では、溶接の進行に伴う膨張と、溶接前半部分での凝固による収縮とにより楕円化が緩和され、変形量が減少する。溶接角度により変形量は増減するが、溶接することにより、円筒部材は楕円状に変形する。溶接角度を３６０°以上にし、同じ箇所を複数回溶接しても、溶接箇所は同じような変形過程をたどる。
金属シールを必要とする部材において溶接により形状が変形すると、シール性が悪化するという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一方向からエネルギーを加えることにより両筒部材が変形することを抑制するために、図１０に示すように、１８０°向かい合う方向から両筒部材の２箇所にエネルギーを加えることが考えられる。しかしながら、外筒部材２００および内筒部材２０１の径方向反対側にエネルギーが加わり変形しやすい箇所が２箇所になる。つまり、同一方向に楕円化を引き起こす要因が２箇所になるので、エネルギー印加方向と直交する方向に両筒部材が変形しやすくなる。したがって、図１１の（Ｂ）に示す溶接後の形状２３１は、図１１の（Ａ）に示す真円に近い溶接前の形状２３０から溶接開始位置のエネルギー印加方向と交差する方向に楕円状に変形する。図１１に示す一点鎖線の円は、変形している溶接箇所の内径および外径を示している。
【０００６】
また、エネルギーが加わり溶融する箇所に異物が混入していると、エネルギーが加わることにより異物が蒸発し、溶接部分に気孔が生じることがある。溶接部分に気孔が生じると、溶接不良を招く恐れがある。
【０００７】
本発明の目的は、円筒部材同士を周方向に溶融溶接する場合、円筒部材が変形することを防止し、かつ溶接前の溶接箇所の変形を矯正する溶接装置および溶接方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、インジェクタの燃料漏れを低減する溶接装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、溶接部分に気孔が発生することを防止する溶接方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の溶接装置によると、エネルギー源で生成されたエネルギーを円筒部材に加える印加手段を円筒部材の周方向に２箇所配置し、円筒部材を中心として印加手段同士が形成する角度をθ°とすると、８０≦θ≦１００である。つまり、印加手段は円筒部材の周方向角度位置でほぼ９０°離れた箇所を溶融し円筒部材同士を溶接する。円筒部材の周方向角度位置でほぼ９０°離れた箇所が溶融するので、円筒部材が互いに直交する方向に変形しようとする。円筒部材の溶接箇所全体の変形が均等になるので、円筒部材の溶接部分の変形を防止できる。また、円筒部材の溶接箇所全体の変形が均等になるので、溶接前に変形していた溶接箇所の形状を矯正できる。例えば、溶接前に円筒部材の内側に他の円筒部材を挿入する作業が圧入である場合、圧入により変形した円筒部材の変形を溶接により矯正できる。
【００１４】
本発明の請求項２記載の溶接方法によると、請求項１に記載の溶接装置を用いて円筒部材同士を溶接するので、溶接による変形を防止し、かつ溶接前に変形していた溶接箇所の形状を矯正できる。
また、円筒部材の中心軸を回転軸とし、印加手段に対し円筒部材を相対回転させながら円筒部材同士を溶接し、周方向に隣接する印加手段の一方から加わるエネルギーにより溶融した円筒部材の箇所が、周方向に隣接する印加手段の他方から加わるエネルギーにより再び溶融する。隣接する一方の印加手段から加わるエネルギーにより溶融して溶接された円筒部材の溶接部分に気孔が発生しても、隣接する他方の印加手段から加わるエネルギーにより気孔が生じている溶接部分が再度溶融して溶接されるので、２度目の溶融で気孔が消失する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示す実施例を図に基づいて説明する。
本発明の一実施例による溶接装置を図１に示す。
外筒部材１０および内筒部材１１は横断面が同形状の円筒部材であり、外筒部材１０の内側に内筒部材１１が圧入されている。外筒部材１０および内筒部材１１として、例えばインジェクタのハウジングとノズルボディの組み合わせが考えられる。
【００１６】
エネルギー源としてのレーザ生成装置１はＹＡＧまたはＣＯ₂等の高エネルギーのレーザを生成する。分光器２はレーザ生成装置１で生成されたレーザを二方向に分光する。分光されたレーザは印加手段としての２個の光学ヘッド２０から外筒部材１０に向け照射される。光学ヘッド２０は、外筒部材１０および内筒部材１１の外側に、両筒部材の中心軸と直交する平面上に、両筒部材の長手方向の中心軸を中心として周方向にほぼ９０°離れて配置されている。光学ヘッド２０から外筒部材１０に向けて照射されるレーザ３０は、両筒部材の中心軸と直交する平面に沿って照射される。光学ヘッド２０から照射されるレーザ３０により外筒部材１０および内筒部材１１は全周にわたり溶融溶接される。両筒部材を溶融溶接する高エネルギーとして、アーク放電または電子ビームを用いてもよい。
【００１７】
外筒部材１０と内筒部材１１とを全周にわたって溶融溶接するとき、光学ヘッド２０に対し被溶接部材である外筒部材１０および内筒部材１１を回転させる。可能であれば、両筒部材を中心として光学ヘッド２０を回転してもよい。回転方向前方のレーザ３０が溶融した部分を回転方向後方のレーザ３０が再度溶融するように、少なくとも１回転以上外筒部材１０および内筒部材１１を回転させる。
【００１８】
次に、本実施例の溶接装置による溶融溶接について説明する。図３および図４に示す一点鎖線の円は、変形している溶接箇所の内径および外径を示している。
外筒部材１０の外側にほぼ９０°間隔に光学ヘッド２０を配置し、外筒部材１０および内筒部材１１の周方向にほぼ９０°離れた２箇所を溶融して溶接する。一方向からだけレーザ３０を加えて溶融溶接する場合、溶融していない部分と、レーザ３０が照射され溶融している部分と、凝固し始めている部分との相対的な熱歪みバランスにより、両筒部材はレーザ３０の照射方向と直交する方向に変形しようとする。
【００１９】
本実施例では、外筒部材１０のほぼ９０°離れた箇所にレーザを照射するので、一方の光学ヘッド２０から照射されるレーザ３０により外筒部材１０および内筒部材１１が変形しようとする方向から他方の光学ヘッド２０によりレーザ３０が照射される。したがって、図２に示すように外筒部材１０および内筒部材１１が変形しようとする方向が直交し、全体として均等に変形する。
【００２０】
図３の（Ａ）に示すように両筒部材の加工精度が高く溶接前の形状５０が真円に近い状態であれば、図３の（Ｂ）に示す溶接後の形状５１も真円に近い形状を維持する。また、図４の（Ａ）に示すよう、両筒部材の加工精度が低く溶接前の形状６０が変形していても、両筒部材が直交する方向に均等に変形するので、図４の（Ｂ）に示す溶接後の形状６１は変形を矯正され、真円に近い形状になる。
【００２１】
外筒部材１０および内筒部材１１の溶接箇所に異物等が混入していると、一方の光学ヘッド２０から照射されるレーザ３０により異物を含む溶接部分が溶融するので、図５の（Ａ）に示すように溶接箇所７０の異物が混入していた部分が気孔７１となって残る。この溶接箇所７０に他方の光学ヘッド２０からレーザ３０が照射され再び溶接箇所７０が溶融すると、気孔７１が消失する。
【００２２】
本実施例の溶接装置は、例えば図６に示すインジェクタ１００の円筒部材同士を溶接するために用いられる。インジェクタ１００を構成する部材のうち、弁ハウジング１０１、弁ボディ１１０、弁部材１２０、可動コア１２２および磁性部材１３５は、特許請求の範囲で述べた円筒部材に該当する。図６において、黒く塗りつぶした三角１５０は、円筒部材同士を全周溶接した箇所である。まず、インジェクタ１００の構成について説明する。
【００２３】
インジェクタ１００のハウジング部材である弁ハウジング１０１は、図６において下方の燃料噴射側から第１磁性部１０２、磁気抵抗部としての非磁性部１０３、第２磁性部１０４の順で一体成形されている。第１磁性部１０２および第２磁性部１０４は磁性化されており、非磁性部１０３は弁ハウジング１０１の一部を加熱して非磁性化されている。第１磁性部１０２の燃料噴射側内周壁は、溶接により弁ボディ１１０の外周壁と結合している。弁ハウジング１０１は、弁部材１２０および可動コア１２２を往復移動可能に収容している。
カップ状の噴孔プレート１１２は弁ボディ１１０の外周壁に溶接により結合され、弁ボディ１１０と支持部材１１４との間に挟持されている。噴孔プレート１１２は薄板状に形成されており、中央部に複数の噴孔１１２ａが形成されている。
【００２４】
弁部材１２０は有底円筒状に形成されており、弁部材１２０の底側に当接部１２１が形成されている。当接部１２１は弁ボディ１１０の内周壁に形成されている弁座１１１に着座可能である。弁部材１２０の反噴孔側に円筒状の可動コア１２２が溶接により弁部材１２０に固定されている。当接部１２１の上流側に弁部材１２０の側壁を貫通する燃料孔１２０ａが複数形成されている。弁部材１２０内に流入した燃料は、燃料孔１２０ａを内から外に通過し、当接部１２１と弁座１１１とが形成するシート部に向かう。
【００２５】
スプリング１２５の付勢力により当接部１２１が弁座１１１に着座すると、噴孔１１２ａが閉塞され燃料噴射が遮断される。電磁駆動手段としてのコイル１４０に通電することにより可動コア１２２が固定コア１３０に吸引され可動コア１２２とともに弁部材１２０が弁座１１１から離座すると、噴孔１１２ａが開放され燃料噴射が許容される。
【００２６】
固定コア１３０は可動コア１２２の反噴孔側に設置され可動コア１２２と向き合っている。スプリング１２５は一方の端部をアジャスティングパイプ１３１に係止され、他方の端部を可動コア１２２に係止されている。スプリング１２５は弁座１１１に向け弁部材１２０を付勢している。
【００２７】
磁性部材１３５、１３６は電磁駆動手段としてのコイル１４０の外周側に設置されている。磁性部材１３５、１３６は、第２磁性部１０４を介し、第１磁性部１０２と固定コア１３０とを磁気的に接続している。固定コア１３０、可動コア１２２、第１磁性部１０２、第２磁性部１０４および磁性部材１３５、１３６は磁気回路を構成している。
【００２８】
第１磁性部１０２と弁ボディ１１０とは、第１磁性部１０２の内側に弁ボディ１１０を挿入し、図１に示す溶接装置により前述した溶接方法で溶接されている。磁性部材１３５と第１磁性部１０２とは、磁性部材１３５の内側に第１磁性部１０２を挿入し、図１に示す溶接装置により前述した溶接方法で溶接されている。可動コア１２２と弁部材１２０とは、可動コア１２２の内側に弁部材１２０を挿入し、図１に示す溶接装置により前述した溶接方法で溶接されている。
【００２９】
インジェクタ１００を構成する前述した各円筒部材の溶接箇所の真円度が向上するので、弁ボディ１１０と弁部材１２０との心ずれが低減するとともに、弁部材１２０が弁座１１１に着座しているときに弁座１１１と弁部材１２０との間に形成される隙間が小さくなる。弁座１１１と弁部材１２０とのシート性が向上するので、図７に示すように油密性が向上する。図７において油密は、弁座１１１に弁部材１２０が着座しているときに弁座１１１と弁部材１２０との間から漏れる燃料量を表している。
【００３０】
以上説明した本発明の上記実施例では、印加手段として２個の光学ヘッド２０を外筒部材１０の外周に９０°離れて配置した。光学ヘッド２０同士が形成する角度は９０°に限らず、両筒部材を中心として光学ヘッド２０同士が形成する角度をθ°とすると８０≦θ≦１００であればよい。また、レーザ３０は両筒部材の中心軸と直交する平面に沿って照射されたが、中心軸に対し斜めに照射してもよい。
【００３１】
また光学ヘッド２０の個数は２個に限らず、３個以上の光学ヘッド２０を外筒部材１０の外側にほぼ等角度間隔に配置し、外筒部材１０と内筒部材１１とを溶融溶接してもよい。３個以上印加手段を配置する場合、印加手段の個数をｎ、周方向に隣接している光学ヘッド２０同士が両筒部材を中心として形成する角度をθ°とすると、（３６０／ｎ）−１０≦θ≦（３６０／ｎ）＋１０を満たすように光学ヘッド２０を配置する。ただし溶接装置の構成上、光学ヘッド２０を配置できる個数は１０個程度が限度である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による溶接装置を示す模式的斜視図である。
【図２】本実施例による両筒部材の溶接による変形を説明する説明図である。
【図３】本実施例による加工精度の高い両筒部材の断面形状変化を示す模式的説明図であり、（Ａ）は溶接前、（Ｂ）は溶接後の断面形状を示している。
【図４】本実施例による加工精度の低い両筒部材の断面形状変化を示す模式的説明図であり、（Ａ）は溶接前、（Ｂ）は溶接後の断面形状を示している。
【図５】２度溶接による溶接部分の変化を示す模式的断面図である。
【図６】本実施例の溶接装置を用いて溶接するインジェクタを示す断面図である。
【図７】インジェクタを構成する円筒部材の真円度と油密との関係を示す特性図である。
【図８】従来例１による溶接装置を示す模式的斜視図である。
【図９】従来例１による両筒部材の断面形状変化を示す模式的説明図であり、（Ａ）は溶接前、（Ｂ）は溶接後の断面形状を示している。
【図１０】従来例２による溶接装置を示す模式的斜視図である。
【図１１】従来例２による両筒部材の断面形状変化を示す模式的説明図であり、（Ａ）は溶接前、（Ｂ）は溶接後の断面形状を示している。
【符号の説明】
１レーザ生成装置（エネルギー源）
２分光器
１０外筒部材（円筒部材）
１１内筒部材（円筒部材）
２０光学ヘッド（印加手段）
３０レーザ
１００インジェクタ
１０１弁ハウジング（ハウジング部材、円筒部材）
１１０弁ボディ（円筒部材）
１２０弁部材（円筒部材）
１２２可動コア（円筒部材）
１３５、１３６磁性部材（円筒部材）
１４０コイル（電磁駆動手段）

Claims

円筒部材の内側に他の円筒部材を挿入し、円筒部材同士を周方向に溶融して溶接する溶接装置であって、
円筒部材同士を溶融して溶接するためのエネルギーを生成するエネルギー源と、前記エネルギー源で生成されたエネルギーを前記円筒部材に加える印加手段とを備え、
前記印加手段は前記円筒部材の中心軸と直交する平面上の周方向に２箇所配置され、前記円筒部材の周方向に離れた２箇所を溶融して溶接する前記印加手段同士が前記円筒部材を中心として形成する角度をθ°とすると、８０≦θ≦１００であることを特徴とする溶接装置。
請求項１に記載の溶接装置を用いて溶接する溶接方法であって、
前記円筒部材の中心軸を回転軸とし、前記印加手段に対し前記円筒部材を相対回転させながら前記円筒部材同士を溶接し、前記印加手段の一方から加わるエネルギーにより溶融した前記円筒部材の箇所が、前記印加手段の他方から加わるエネルギーにより再び溶融することを特徴とする溶接方法。