JP3957219B2 - ゴルフクラブヘッドの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、２以上の部材を溶接して構成される金属製のゴルフクラブヘッドの製造方法に関する。

従来から、ウッドヘッドや一部のアイアンヘッドに見られる中空構造を有する金属製ゴルフクラブヘッドは、２以上の部材を溶接して製造されてきた。また、いわゆるボックス型あるいはポケット型と言われるアンダー構造を有する金属製ゴルフクラブヘッドも２以上の部材を溶接して製造される場合が多い。溶接は、接合強度に優れ、なおかつ加工コストも比較的安く、ゴルフクラブヘッドに最も適した接合方法であるからである。

しかし、一方で溶接の問題を指摘することも出来る。それは、溶接時の熱で金属の特性が変化してしまうことである。金属は熱を加えることで組織が変化し、特性が変化することが知られている。溶接は金属を溶融して接合する方法であるから、被接合部材にかなりの熱が加わる。この熱が部材の各部に伝導し、各部の金属特性を変化させてしまうのである。また加熱は酸化等を促進したり、変色を生じる可能性もある。これら問題は、熱処理や各種の表面改質処理（以下「改質処理等」と言い、これを施した部位を「改質処理部」と言う。）を行う場合に、特に大きいものとなる。即ち、改質処理等を行った部材を溶接すると、改質処理部が高温化し、改質処理等の効果が失われてしまうのである。

金属製ゴルフクラブヘッドは、その強度や美観の向上などを目的として様々な熱処理や表面改質処理等が提案されている。例えば内面にピーニング処理を施して圧縮応力を残留させること（例えば下記特許文献１など。）、深冷処理を施すこと（例えば下記特許文献２など。）などが知られている。

しかし、前述のように、これらの改質処理等の効果は溶接で失われてしまうのである。例えば、本発明者らのテストによると、ピーニング処理の効果は該処理部の温度が金属の再結晶化温度を超えると失われることが判明した。これはピーニング処理によって圧縮されていた金属組織が、高温化することで配列しなおしてしまい、残留応力が失われたものと考えられる。窒化などの処理も、金属組織内に他の原子、分子を強制的に侵入させる処理であるので、同様であると考えられる。特許文献２のように、改質処理等を溶接の後に行えば効果消失の問題を回避できるが、同時に改質処理等を行える数は少なくなってコストが増大したり、中空構造のため内部の処理は出来ないなど、新たな問題も生じる。
特開2003-10366号公報 特開平6-261960号公報

本発明は、改質処理等を先に、溶接を後に行いながらも、改質処理等の効果を維持できるゴルフクラブヘッドの製造方法を提供するものである。

その手段は、非溶接部を冷却しながら溶接を行うというものである。

冷却部位は大きく二つ考えられる。まず一つは、改質処理等部を直接冷却する方法である。溶接部から伝導してきた熱を放熱することで、改質処理部の高温化を阻止するものである。改質処理等部のうち、その一部のみに効果が残存すれば良い場合は、その残存させたい部位のみを冷却しても良い。もう一つは、改質処理部と溶接部の間を冷却する方法である。溶接部に加えられた熱が改質処理部まで伝導しないようにするものである。

冷却方法も大きく二つ考えられる。まずは一つは、気体を冷却部に吹き付ける方法である。気体は、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスが望ましい。吹き付けた気体が溶接部に回り込む可能性があるので、その場合でも酸化等の悪影響が出ないようにするためである。但し、気体の流れを制御し、溶接部に周り込まないようにすれば、大気、その他の気体を使用することも可能である。なお、気体の冷却にはボルテックスチューブを用いるのが簡便である。もう一つの方法は、冷却部にヒートシンク等の放熱装置を接触させる方法である。溶接時に用いる部材の位置決め・保持用冶具を工夫して、これらが放熱効果を有するようにすることも可能である。放熱装置内に冷却した液体等を流したり、放熱部材に気体を吹き付けたりして、冷却効果を高めることも可能である。また、ゴルフクラブヘッドと放熱装置の間にペルチェ素子を挟み、放熱装置への熱伝導を増大させることも考えられる。この方法は、放熱装置が溶接作業の障害になる可能性がある点で、前述の気体を用いる方法よりは不利である。

当然のことながら、本発明の実施にあたって採用される溶接方法は、加熱量が少なくて済む方法が望ましい。放熱量が少なく済むため、冷却が容易だからである。加熱量が多すぎる場合は、放熱が間に合わず、改質処理部が高熱になってしまうおそれもある。本発明者らの知る限り、レーザー溶接が最適であり、電子ビーム溶接やプラズマアーク溶接も好ましい。但し、溶接方法には、真空で行う必要のあるもの、雰囲気を選ぶものがある。そのため、気体による冷却と組み合わせることが困難な溶接方法もあるので、適便選択することが必要である。

本発明によれば、溶接によって加えられた熱が伝動して非溶接部が高熱になるのを回避することができる。これによって、金属特性の変化、金属の酸化・変色が防止され、設計意図にあったゴルフクラブの製造が容易になる。特に事前に熱処理や各種の表面改質処理などを施した場合でもその効果の維持が容易になる。

本発明をウッドヘッドの製造に適用する場合について説明する。図１に示すとおり、ウッドヘッドはフェース部１、トップ部２、ソール部３、サイド部４及びネック部５からなり、中空構造を有している。ネック部５が外部に突出していないヘッドもあるが、その場合もヘッド内部にシャフトを取り付けるためのネック部は存在している。本発明は、図１に示す一般的な形状を有するウッドヘッドに適用可能である。なお、図２〜図４は本発明の実施例を示すものであるが、図中の符号は全ての図において共通であり、ヘッドの基本的な構成は図１に示すものと同様である。

図２に第１実施例を示す。図２は、気体による冷却の状態を示したもので、ヘッドを前後に延びる鉛直面で切断して内部を表している。

この例はフェース１を構成するフェース部材と、その他の部分を構成する本体部材を接合して形成するウッドヘッドである。本体部材は鋳造により、フェース部材は鍛造により一体的に形成した。本体部材の後方部位であるサイド部４には、開口部Ａを設けてある。該開口部よりパイプ又はチューブ１１を挿入して、気体を吹き付け、冷却するためである。フェース部材と本体部材は、ばりや鋳造時の湯口痕などを取り除くため粗研磨も行う。なお本例は、フェース部材、本体部材ともチタン合金としたが、ステンレス鋼、マルエージング鋼などの鉄系合金、あるいはアルミ合金も好適である。

その後、フェース部材のフェース部１の背面側（ヘッドの内部になる面）にショットピーニング処理を施した。ショットピーニング等のピーニング処理は、処理面に圧縮応力を残留させるもので、引張応力が繰り返し加わる部位に施すと、疲労強度を向上させることができる。ゴルフクラブでは、打撃時にフェース部１が凹む方向に弾性変形するので、フェース部１の背面に引っ張り応力が繰り返し加わることとなる。フェース部１の表面側は圧縮応力が繰り返し加わるので、表面側にピーニング処理を施しても疲労強度の向上は得られず、むしろ疲労強度を低下させるおそれもある。

本発明者らの研究によれば、ゴルフクラブヘッドのフェース部材に施すショットピーニングの程度は、アークハイトＡ値０.３〜０.８mmA、より好ましくは０.４〜０.８mmAの範囲が好ましく、本実施例では０.６６mmAとした。アークハイト値とフェース部が破壊するまでに要する打数の関係を図５に示す。これは本発明者らが、高強度なフェース材料として一般的な３つのチタン合金について、アークハイト値を変えたショットピーニングを行い、フェース部１が破壊するまで打撃を繰り返す実験を行った結果である。図５より、アークハイト値０.２mmA を超え、０.３mmA以上になると急激に破壊までの打数が増加している。０.４mmA程度になると破壊打数の増加は小さくなる。これより、疲労強度の向上にはアークハイト値０.３mmA以上とすることが必要であり、０.４mmAになるとほぼ最大の効果が得られると判断した。一方、ショットピーニングは非処理部材に変形をもたらす。本例の場合で言うと、強い処理をするほどフェース背面側が凸になるように反ってくる。このため、余り強い処理を行うと、フェース部材として使用できなくなる。本発明者らの試験によると、アークハイト値が０.８mmAを超えるとそりが大きくなりすぎることが判明している。また、ショットピーニングを２回行うのも効果的である。１回目は上記アークハイト値の範囲で行い、２回目は１回目よりやや小さくアークハイト値になる処理を行うものである。

以上の加工、処理の後、本願発明である冷却しながらの溶接を行う。まず、フェース部材とヘッド本体を所定の位置に合わせた。図示していないが、これ等部材の位置がずれないような冶具、固定装置を用いている。そして、サイド部４に設けた開口部Ａよりパイプ１１を挿し込み、これよりフェース部１の背面に冷却したアルゴンガスを吹き付けて同部を冷却した。気体は図２の矢印のようにフェース部１の背面に吹き付けた。アルゴンガスはボルテックスチューブを用いて冷却し、−４〜−２℃としている。ちなみに、本発明者が試験に用いたボルテックスチューブでは、アルゴンガスを０.５Mpaでボルテックスチューブに送り込むことで、アルゴンガスは上記温度となった。これはボルテックスチューブによって異なる可能性が有るので、実際に使用する際に確かめるべきである。上記冷却を開始した後、溶接部Ｂにレーザー溶接を施し、フェース部材と本体部材を接合した。本発明者らの試験によれば、改質処理部の温度を１５０℃以下に保てば、ピーニングによる応力残留の効果が維持された。また、気体に大気を用いた場合、本例では気体が溶接部まで回り込むため、溶接部が酸化し、全く接合強度を得られなかったことに留意すべきである。

この後は、通常のゴルフクラブヘッドの製造と同様、研磨や塗装等を施し、ゴルフクラブヘッドを完成させる。開口部Ａは、何らかの蓋をするのが好ましい。蓋の接合はねじ・ピン止め、接着又は嵌合などのヘッドへの加熱を必要としない方法とするのが最適だが、本例の場合、開口部Ａが比較的小さく、且つ高温化を避けたいフェース部１の背面から遠いので、溶接を選択することも可能である。但し、これによってフェース部１が高温化しないことを確かめた上で行うのが望ましい。

また、開口部Ａに比重の大きい金属を装着し、重量やゴルフクラブヘッドの重心位置の調節を行うことも可能である。
以上の方法で製造したゴルフクラブヘッドとフェース部１背面の冷却を省略して製造したゴルフクラブヘッドで繰り返し打撃を行い、耐久性を比較したところ、冷却を行わないものは１８５９回で破壊したが、本実施例は２５２５回までもち、疲労強度の向上が確認された。

以下、他の実施例について説明する。以降の実施例について特に説明しない部分は、実施例１と同じ方法で実施できるのはもちろん、他の方法を選択することも可能である。

図３は、本発明の第２実施例であって、フェース部１の表面側から気体を用いて冷却した例である。この例の場合、第１実施例のように開口部Ａを設ける必要が無く、溶接後にこの開口部Ａを塞ぐ必要もない。但し、フェース部１の背面にピーニング処理を施した実施例１のように、ゴルフクラブヘッドの内部に改質処理等を施した場合には、該処理部を直接冷却できないので、冷却効率は悪くなる。

図４は、本発明の第３実施例であって、トップ部２に開口Ａを設け、該開口Ａからパイプを挿し込み、該パイプから気体を吹き付けて冷却した例である。この実施例は開口Ａを大きく取れるので、大きなパイプや複数のパイプを差し込むことが可能である。このため、改質処理を広い範囲に実施した場合にも適用可能である。例えば、フェース部１の背面にはピーニング処理、本体部材のソール部３には窒化処理を施したような場合である。また本実施例は大きな冷却効果を得やすいので、改質処理部を非常に低い温度に保つ必要がある場合に有効である。

上記のとおり冷却を行いながらフェース部材と本体部材の溶接を行った後、開口部Ａに樹脂製の蓋部材を接着した。蓋部材には、カーボン繊維にて強化された樹脂を用いたので、ゴルフクラブヘッドの軽量化、及びゴルフクラブヘッドの低重心化を図ることが出来た。繊維強化樹脂以外にも、低比重金属を用いれば同様の効果を得ることが出来る。高比重材を使用して、高重心化を図ることも可能である。蓋部材の接合には、接着以外にも嵌合又はねじ・ピン止めなどから適便選択可能である。溶接、ろう付けも可能ではあるが、その際の熱伝導が再び問題となる点で不利である。

以下、更に好適に本発明を適用できるゴルフクラブヘッドを説明する。

図７は、フェース部材をフェース部１の上下から後方に伸びる延長部を含む形状としたゴルフクラブヘッドである。ゴルフクラブヘッドのトウ側にも延長部があり、全ての延長部が連続している場合もある。この構造の場合、フェース部材と本体部材の溶接部がフェース部１から離れているので、フェース部１の中央付近まで熱伝導しにくく、また伝導した熱を冷却しやすい。従って、フェース部１に改質処理を施した場合に極めて有利な構造である。

図６は、図７のゴルフクラブヘッドと同様の延長部を有するアイアンヘッドである。これも図７の場合同様である。

尚、本発明のゴルフクラブヘッドの製造方法は、上記した実施の形態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内において種々変更を加え得ることは勿論である。

以上のように、本発明はより設計意図に沿ったゴルフクラブの製造を容易にするものである。

一般的なウッドヘッド（完成品）の斜視図 本発明の第１実施例の切断図 本発明の第２実施例の切断図 本発明の第３実施例の切断図 ピーニングの程度と疲労強度の関係を示すグラフ 本発明を好適に適用できるアイアンヘッドの構造図 本発明を好適に適用できるウッドヘッドの構造図

符号の説明

１：フェース部
２：トップ部
３：ソール部
４：サイド部
５：ネック部
１１：パイプ又はチューブ
Ａ：開口部
Ｂ：溶接部

Claims (5)

1. 冷却気体の吹き付けによって非溶接部を冷却しながら部材の溶接を行うゴルフクラブヘッドの製造方法であって、前記冷却気体の吹き付けが、トップ部、サイド部又はソール部に設けた開口部から差し込まれたパイプ又はチューブを通じて行われることを特徴とするゴルフクラブヘッドの製造方法。
2. 溶接方法がレーザー溶接又は電子ビーム溶接であることを特徴とする請求項１に記載のゴルフクラブヘッドの製造方法。
3. フェース部の背面となる部位に予めピーニング処理を行い、該ピーニング処理部を冷却した不活性ガスで冷却しながら部材の溶接を行うことを特徴とする請求項２に記載のゴルフクラブヘッドの製造方法。
4. 溶接後、開口部を繊維強化樹脂にて塞ぐことを特徴とする請求項２又は３項記載のゴルフクラブヘッドの製造方法。
5. フェース部の前面又は背面に放熱装置を接触させ、フェース部を冷却しながら部材の溶接を行うゴルフクラブヘッドの製造方法。

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