JP4558793B2 - 排気ガスシステムならびに排気ガスシステムのコンポーネント相互を結合する方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に自動車のための排気ガスシステム及び、特に自動車のための排気ガスシステムの２つのコンポーネントを結合する方法に関する。

該相互に結合されるコンポーネントとは特に排気ガスシステムのパイプであって、このパイプを通って排ガス流が、例えば排気マニホールドから、触媒コンバータまたはマフラーに導かれる。排気ガスシステムのコンポーネントは、高温と高い動的負荷にさらされるため、このようなコンポーネントはこれまで常に、溶接シームによって相互に結合されてきた。排気ガスシステムのコンポーネント相互の溶接には、確かにいくつかの欠点がある。その１つとして、溶接プロセスを実行する際には、例えば自動溶接機または溶接ロボットのため、比較的多くの床面積が必要とされる。両者の場合とも溶接されるコンポーネントは、溶接ヘッドに対し相対的な運動を行わなければならない。したがって動的負荷が高い場合、溶接されるコンポーネントを固定するための複雑な装置が必要とされる。この装置の場合、溶接区画や装置取付に必要な面積が比較的大きい。それだけでなく、通常は設計ごとに新たな装置が必要なので、非常に数多くの装置を保管しなければならない。そしてまた溶接シームは、強度に不利に働くことが分かっている。すなわち溶接シームは、結合されたコンポーネントに突然の断面積変化と、それにともなって溶接シーム領域に応力集中を生じることになり、排気ガスシステムの強度の変化を生む原因となる。特に溶接ルートないしアンダーカットの各領域は、クラック形成の出発点となる可能性がある。また溶接の際に両コンポーネントに送り込まれる熱は溶接ねじれの原因となり、該溶接ねじれを、溶接後個々に修正機で修正しなければならないことがある。これらの欠点全てにも関わらず、排気ガスシステムの分野では、コンポーネントを相互に溶接するのが一般的である。そのようにしてのみ、生じる温度負荷と動的負荷に耐えるコンポーネント結合が得られるという考えが、従来の技術を支配している。

本発明の課題は、溶接の際の上記の欠点を避けるため、排気ガスシステムの２つのコンポーネントを、溶接とは異なる方法で結合することである。

本発明はこの課題を解決するため、第１のコンポーネントと第２のコンポーネントを持つ排気ガスシステムであって、両者のコンポーネントの間に誘導加熱ロウ付け箇所があることを特徴とするシステムを意図する。この課題は、自動車排気ガスシステムの第１のコンポーネントと第２のコンポーネントを結合する方法によって解決され、その際、両者コンポーネントを差し込み組み合わせてそこに高温ロウ材を装着し、これらコンポーネントのロウ材領域を加熱コイルで、ロウ材融点以上に加熱する。本発明は、次のような驚くべき認識に基づく。それは専門家の偏見とは反対に、高温ロウ付け結合は、自動車排気ガスシステムに作用する負荷に耐えるというものである。これまで一般に考えられていたのは、排気ガスシステムのコンポーネントには６００℃を超える温度が生じるというだけで、ロウ付け結合は問題にならないというものである。ロウ付けコンポーネントの最高許容使用温度は、高温ロウ材を使用したものでも、一般に約２００℃とされていた（例えば２００２年１０月付けドイツ溶接技術協会インストラクションシートＤＶＳ９３８−２「アーク溶接」草案を参照。そこでは排気ガスシステムの場合、ロウ付け結合の使用温度は最高１８０℃とされ、１８０℃を超える温度でのロウ付け結合の使用は、推奨しないと明言されている）。本発明はこの偏見を無視する。ロウ付けされたコンポーネントは、ロウ付け結合の機械的安定を損なうことなく、６００℃を超える温度に、より長い時間さらすことができることを、出願者は試験で確認したからである。そのほかロウ材の硬化後、再融解温度が当初融点より高くなるので、ロウ付け結合の高温強度に有利に影響する。この原因はまだ最終的に解明されていない。ロウ材溶融の際に特定の合金添加物が蒸発することが、一因かもしれない。もう１つの原因として、母材の原子がロウ材中に拡散することが考えられる。

溶接結合の代わりにロウ付け結合を用いることにより、一連の利点が得られる。その１つとして両者のコンポーネントを、溶接法を用いる場合よりも低コストとより少ないスペースで、相互に結合することができる。両者コンポーネントの結合領域の周りを、ロボットが円周方向に動く必要はない。その代わりに両者コンポーネントの結合領域を、コンパクトなシールドガスチャンバに収める。突然の剛性変化を生じないので、該ロウ付け結合の動的強度は、ある特定の温度までは溶接結合の場合よりも高く、この特定の温度は排気ガスシステムに生じる使用温度よりも低い。両者コンポーネントが溶接ではなく相互にロウ付けされる場合、該両者コンポーネントを壁厚の薄いものに形成することができる。相互に溶接されるコンポーネントの壁厚は、排気ガスシステムの分野において、コンポーネントの必要強度を考えてではなくて、溶接時の溶け落ちのリスクを考えて設計しなければならない場合があるからである。両者コンポーネントを相互にロウ付けする場合、このリスクの観点は消えるので、今後はそこに生じる負荷だけが、寸法設計の基準となる。そのほか個別コンポーネント間のフランジ結合やクランプ結合を、ロウ付け結合に替えることができる。前者のような結合は、組付けにコストが高く、またシーリング上問題があるため、不利であることが次第にわかってきているので、排気ガスシステムの全コンポーネントを素材結合する方向に移行するだろう。

本発明の１つの好ましい実施形態は、コンポーネントの１つにロウ材の装着面を備えることを意図する。これによりロウ材をロウ付け隙間の近くに配置することができるので、ロウ材は溶融するとただちに、毛管力によってロウ付け隙間に引き込まれる。該装着面は、ロウ材がロウ付け隙間を離れて、コンポーネントのほかの領域に流れるのを防止する。そうでない場合は、１つには、ほかの領域にロウ材があることは外見上望ましくなく、２つには、このロウ材は本来のロウ付け結合の役に立たないものとなろう。

コンポーネントにおけるこの装着面は、ビーディングを周回させれば低コストで形成され、このビーディングの上にロウ材リングを配置することができる。

もう１つ別の実施形態によれば、ロウ付け箇所領域にロウ付け支持具を配置し、この支持具にロウ材の装着面を設けるものとする。この実施形態の場合、装着面を形成する目的でコンポーネント自体を形状変更する必要がないという利点がある。好ましくはこのロウ付け支持具は、非導電性材料、例えばセラミックス材からなるものとする。その結果このロウ付け支持具は、誘導加熱ロウ付けの際に誘導加熱されず、したがってロウ材はこのロウ付け支持具と結合しない。したがって両者コンポーネントのロウ付け後、このロウ付け支持具を問題なく再び取り外すことができる。

本発明のもう１つ別の実施形態によれば、両者コンポーネントの間に流出領域を設け、余剰のロウ材はこの流出領域に収容され、かつ両者コンポーネントとは結合しないものとする。したがってこの流出領域は、ロウ付け隙間がロウ材で完全に充填されたら、オーバーフロータンクのようにこの領域が充填される。該流出領域は、ロウ付けの際にロウ付け温度まで加熱されないようにして、ロウ材が流出領域に侵入すると、ロウ材はただちに硬化を始めるようにする。ロウ材がロウ付け隙間の反対側に再び流出したり、両者コンポーネント内部に望ましからざるロウ材溶滴を生じたりするのが、これにより防止される。そのようなロウ材溶滴が生じるならば、排気ガスシステムの運転中、その内部に損傷を生じることとなろう。

本発明の好ましい実施形態を従属請求項に記載した。

下記にさまざまな実施形態により本発明を説明する。それらの実施形態は添付の図面に記載されている。

図１は２つのコンポーネント１０、１２、ここでは自動車排気ガスシステムの２本のパイプを示す。しかしこの代わりに、パイプと異なるコンポーネント、例えばファネルとパイプ、ファネルとハウジング等も、基本的には相互に結合できることが示されている。

第１のコンポーネント１０は断面が一定の仕様であり、第２のコンポーネント１２は、第１のコンポーネント１０を向く末端に、外側を向くビーディング１４と、ビーディング１４に続く差し込み部分１６とを備える仕様である。該差し込み部分１６はその外径が、第１のコンポーネント１０の内径よりわずかに小さい。

ビーディング１４は、コンポーネント１０側にあって中心軸Ｍに垂直な面が、装着面１８を形成し、その上にロウ材２０のリングが配置されている。したがってロウ材はロウ付け隙間の領域にあり、該領域は、第２のコンポーネント１２の差し込み部分１６と、第１のコンポーネント１０との間に形成されている。このロウ材２０は、銅ベースまたはニッケルベースの高温ロウ材である。

この実施例ではロウ材リングが示されているが、該ロウ材は、当然のことながらほかの形態、例えば薄板コイル、ペースト等として準備することもできる。

両者コンポーネント１０、１２のロウ付け領域を囲んでロウ付け機２２が配置されている。該ロウ付け機は主として２つのシェル２４、２６からなり、該シェルはロウ付け領域をほぼ気密に包んでいる。シェル２４、２６内部では、適切な（ここには図示しない）装置によってシールドガス雰囲気を生成することができる。両者シェル２４、２６を囲む加熱コイル２８が設けられている。該加熱コイルは、両者コンポーネント１０、１２のロウ付け部分の領域とロウ材２０に渦電流を生じ、この渦電流が電気抵抗によって熱に変換される。

両者コンポーネント１０、１２を相互にロウ付けするため、第１のステップとして、ロウ材２０のリングを第２のコンポーネント１２のビーディング１４上に配置する。次にこの第２のコンポーネント１２の差し込み部分１６を、第１のコンポーネント１０に挿入する。つづいて両者コンポーネント１０、１２のロウ付け部分の周りを、両者のシェル２４、２６で閉じる。そして両者シェル内部に、シールドガス雰囲気を形成する。次に両者コンポーネント１０、１２のロウ付け部分とロウ材２０とを、加熱コイル２８で約１０００℃まで加熱する。この時ロウ材２０が溶融するので、ロウ材は毛管力により、両者コンポーネント１０、１２間のロウ付け隙間に重力に抗して引き込まれ、このロウ付け隙間を完全に充填する。これを図２で示す。ビーディング１４上に装着面１８があるので、ロウ材２０は溶融しても、ロウ付け隙間を離れて下方に流れることはなく、ロウ付け隙間に引き込まれる。別な方法として、水平方向または斜め方向にロウ付けすることもできよう。

空気に触れてもスケーリングを生じないところまで、両者コンポーネント１０、１２の温度が下がった後、両者のシェル２４、２６を開いて、相互に結合されたコンポーネントを取り出すことができる。ロウ付け機は次のコンポーネントを取り付ける準備ができている。このロウ付け機と上記の誘導加熱ロウ付け法の特別な利点は、非常に短いプロセス時間が可能なことである。２つのコンポーネントを溶接する場合、達成可能なプロセス時間は、加熱と冷却を含めると約４０秒である。しかも本方法は溶接と異なって、継ぎ目長さに依存しない。したがって必要スペースが小さい上に、高い生産性が得られる。

図３から５は第２の実施形態を示す。第１の実施形態で知られているコンポーネントには、同じ符号を用いる。それらのコンポーネントについては上記の説明を参照されたい。

第１の実施形態と異なるのは、装着面１８がコンポーネントの１つには形成されず、ここでは閉じたリングとして形成されているロウ付け支持具３０に形成されている点である。該ロウ付け支持具は、非導電性材料例えばセラミックス材料からなり、ロウ付け隙間に隣接しながら第２のコンポーネント１２を囲む。換言すれば、第１のコンポーネント１０は第２のコンポーネント１２の上にはめ込まれて、ロウ付け支持具３０に接触する。これにより、両者コンポーネント１０、１２を互いに位置決めする時、その基準としてこのロウ付け支持具３０を用いることができる。ロウ付け支持具３０の面のうち、第１のコンポーネント１０側にある面が装着面１８を形成し、この装着面の上にロウ材２０のリングが配置される。このロウ付け支持具が閉じたリングとで実施される場合、該支持具に波形、突起または溝を設けることができる。これらは、ロウ材がコンポーネント１０の正面の下を通ってロウ付け隙間に流れるのを、容易にするものである。

次に両者コンポーネント１０、１２のロウ付け領域を、第１の実施形態と同様に、ここには図示しないロウ付け機によって加熱すると、ロウ材２０は溶融し、両者コンポーネント１０、１２の間のロウ付け隙間に引き込まれる（図４及び５参照）。この場合ロウ材の小部分も、ロウ付け支持具３０を通り過ぎて下方に流れる。しかしロウ付け支持具３０は非導電性材料からできているので、加熱コイル２８によっては加熱されず、ロウ材はこの領域で硬化する。これにより、本来のロウ付け結合から失われるのは、ロウ材のごく小部分だけとなる。図５は、ロウ付け支持具３０を取り外した後の、両者コンポーネント１０、１２間のロウ付け結合を示す。これは問題なく可能である。なぜならばロウ付け支持具３０はロウ付けの際に、ロウ付け温度に達するほどには加熱されないからである。したがってロウ付け材料２０は、ロウ付け支持具の表面と結合しない。ロウ付け支持具３０の「痕跡」ははっきり残る。

図６から８は第３の実施形態を示す。この場合も上記の実施形態で知られているコンポーネントには、同じ符号を用いる。

第１の実施形態と異なるのは、第３の実施形態の場合、第２のコンポーネント１０のファネル状に広がる末端部分に、装着面１８が形成されている点である。したがってロウ材２０のリングは、第１のコンポーネント１０と第２のコンポーネント１２との間に直接に位置する。もう１つ異なる点として、第１と第２のコンポーネント１０、１２の間のロウ付け隙間の形状では、液体ロウ材の流出領域３２が形成されている。該流出領域は次により決定されている。すなわちこの流出領域は、加熱コイル２８によって加熱される両者コンポーネント１０、１２の領域以外に位置するようにする。そのため本来のロウ付けプロセス中でも、流出領域の温度は、ロウ材２０の硬化温度以下に留まるようにする。

両者コンポーネント１０、１２が相互にロウ付けされる時、ロウ付け隙間領域は加熱コイルによって加熱される。ロウ材２０は、溶融するとただちに、毛管力によってロウ付け隙間に引き込まれ、そこで両者コンポーネント１０、１２の表面を濡らす。ロウ材は、ロウ付け隙間のうち図７の下方に示した部分に達すると、ただちに本来のロウ付け隙間から、流出領域３２に流入する。この流出領域は、ロウ材２０の硬化温度より低い温度にあるので、ロウ材は流出領域３２で硬化する。この場合流出領域３２の長さは、ロウ材がロウ付け隙間の下側から、両者コンポーネント１０、１２の内部に流入することのないような長さを選択する。図８は、ロウ材２０が流出領域３２で、両者コンポーネント１０、１２の表面をぬらさないことを示す。なぜならばこれら表面は比較的低い温度にあるからである。それに対応してロウ材２０の正面は凸面であって、ロウ付け隙間上端のロウ材のように凹面ではない。

図９及び１０は本発明の第４の実施形態を示す。前記各実施形態と異なるのは、この場合ロウ材２０を収める受入れチャンバ３４が設けられている点である。前記各実施形態とは異なって、この場合ロウ材２０は完全に一周するリングではない。ロウ材は、例えばリング状の受入れチャンバ３４を半周して延びれば十分である。ロウ材は、溶融するとただちに、毛管力によってロウ付け隙間全周にわたって分配されるので、両者コンポーネントの間には円形に一周しかつ気密な結合が生じる。

コンポーネント１０、１２のロウ付け領域が、ロウ材２０の溶融温度を超えて加熱されると、液化したロウ材が、毛管力によって両者コンポーネント１０、１２の間の隙間に引き込まれる。この時２つの別々のロウ付け箇所が形成される。すなわち、第２のコンポーネント１２の正面と第１のコンポーネント１０の外面との間の第１のロウ付け箇所、つまり図１０でいえば受入れチャンバの左側、及び第１のコンポーネント１０の差し込み部分１６と第２のコンポーネント１２との間の第２のロウ付け箇所である。

図１１は本発明の第５の実施例を示す。前記各実施形態と異なるのは、第１のコンポーネント１０は末端に、円錐台状に狭くなる部分を設けられているが、第２のコンポーネントは末端に、ファネル状に広くなる部分を設けられていることである。第１のコンポーネントの狭くなる部分は、第２のコンポーネントの広くなる部分の中に配置されている。ロウ材２０は、第２のコンポーネント１２の広くなる部分の正面に直接接触する。ロウ材は、溶融するとただちに、毛管力によってロウ付け隙間に引き込まれるので、第１と第２のコンポーネント間に均質な結合が得られる。

図１２は図１１から知られているコンポーネントを示すが、図１１と異なるのは、両者コンポーネント１０、１２の長軸が、水平ではなく垂直に配置されている点である。したがって第２のコンポーネント１２の広くなる部分の正面が、ロウ材２０の装着面１８として用いられる。

図１３は第６の実施形態を示す。前記各実施形態と異なるのは、パイプを互いにロウ付けするのではなく、マフラー、触媒コンバータ、またはそのほかの排気ガスシステムコンポーネントにおいて、それらの２つのハウジングコンポーネントをロウ付けする点である。第１のコンポーネント１０はハウジングの上側シェルを形成し、第２のコンポーネント１２はハウジングの下側シェルを形成する。両者コンポーネントには円形に一周する周縁が設けられ、その際第２のコンポーネントの周縁に、円形に一周するビーディングが設けられているので、第１のコンポーネントの周縁と組み合わせて、ロウ材２０を取り付けるチャンバを形成している。

第１及び第２のコンポーネント１０、１２の周縁とロウ材２０とは誘導加熱されるので、ロウ材は溶融し、両者コンポーネントは相互に結合される。この場合注意すべきは、この種のコンポーネントは継ぎ目長さが非常に長いけれども、プロセス時間が増加することはないことであり、すなわち両者コンポーネントが相互に溶接されるならば、継ぎ目長さが大きい場合、プロセス時間は長くなるところである。

本発明の方法によって、基本的に排気ガスシステムのすべてのコンポーネントを、相互に結合することができる。この場合、これらコンポーネントを順次ロウ付けするか、あるいはグループごとに同時に、あるいはすべて同時にロウ付けするかは、同じことである。異なる素材を互いにロウ付けすることも可能である。例えば排気テールパイプは非鉄金属であり、本来の排気パイプとは異なる材料からなるが、これを排気パイプとロウ付けすることができる。

本発明の第１の実施形態によって相互にロウ付けされる２つのコンポーネントを、模式的に示す。これらのコンポーネントはロウ付け機内に配置されている。 図１でＩＩと記載した部分の拡大図である。両者コンポーネントが相互にロウ付けされた後のものである。 本発明の第２の実施形態によって相互にロウ付けされる２つのコンポーネントを、模式的に示す。 図３の両者コンポーネントが相互にロウ付けされた状態を示す。 図４でＶと記載した部分の拡大図である。 本発明の第３の実施形態によって相互にロウ付けされる２つのコンポーネントを、模式的に示す。 図６の両者コンポーネントが相互にロウ付けされた状態を示す。 図７でＶＩＩＩと記載した部分の拡大図である。 第４の実施形態によって相互にロウ付けされる２つのコンポーネントを、模式的に示す。 図９のコンポーネントが相互にロウ付けされた状態を示す。 第５の実施形態によって相互にロウ付けされる２つのコンポーネントを、模式的に示す。 図１１と同じコンポーネントが別のロウ付けポジションにあるものを示す。 第６の実施形態によって相互にロウ付けされる２つのコンポーネントを、模式的に示す。

Claims (17)

1. 第１の自動車排気ガスシステム用パイプと第２の自動車排気ガスシステム用パイプを持つ排気ガスシステムであって、両者自動車排気ガスシステム用パイプ（１０、１２）の間に高温ロウ材からなる誘導加熱ロウ付け箇所があることを特徴とする、排気ガスシステム。
2. 両者自動車排気ガスシステム用パイプ（１０、１２）が差し込み結合によって相互に結合されていることを特徴とする、請求項１に記載の排気ガスシステム。
3. 自動車排気ガスシステム用パイプ（１０、１２）の１つがロウ材リング（２０）のための装着面（１８）を備えることを特徴とする、請求項１から２のいずれか一項に記載の排気ガスシステム。
4. 円形に一周するビーディング（１４）によって装着面（１８）が形成されていることを特徴とする、請求項３に記載の排気ガスシステム。
5. 装着面（１８）を設けられた自動車排気ガスシステム用パイプ（１０、１２）を、他方の自動車排気ガスシステム用パイプ（１２、１０）の内側が受けていることを特徴とする、請求項３または４に記載の排気ガスシステム。
6. 両者自動車排気ガスシステム用パイプ（１０、１２）の間に流出領域（３２）が設けられ、その中に余剰のロウ材（２０）が収容される、その際、前記ロウ材が両者自動車排気ガスシステム用パイプ（１０、１２）と結合することはないことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の排気ガスシステム。
7. 自動車排気ガスシステム用パイプ（１０、１２）の１つに、ロウ材のために円形に一周する受入れチャンバ（３４）が設けられていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の排気ガスシステム。
8. 受入れチャンバ（３４）がビーディングによって形成されていることを特徴とする、請求項７に記載の排気ガスシステム。
9. 排気ガスシステムの第１の自動車排気ガスシステム用パイプを第２の自動車排気ガスシステム用パイプと結合する、自動車排気ガスシステムのための結合方法であって、組み合わされて高温ロウ材（２０）を装着された両者の自動車排気ガスシステム用パイプ（１０、１２）が、そのロウ材（２０）の領域を、加熱コイル（２８）によって、ロウ材（２０）の融点を超える温度まで加熱されることを特徴とする、結合方法。
10. ロウ材（２０）が装着面（１８）の上に配置されていることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. ロウ付け箇所領域にロウ付け支持具（３０）が配置され、このロウ付け支持具はロウ材（２０）のための装着面を備えることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. ロウ付け支持具（３０）が非導電性の材料からなることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. ロウ付け支持具（３０）がセラミック材料からなることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. ロウ付け支持具（３０）がロウ付け箇所より下に配置されることを特徴とする、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. ロウ材でロウ付け隙間を完全に充填し、余剰のロウ材は流出領域に収容されるという方法で、ロウ材（２０）の量が両者自動車排気ガスシステム用パイプ（１０、１２）間のロウ付け隙間に適合されることを特徴とする、請求項９から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. ロウ材（２０）としてニッケルベースのロウ材が用いられることを特徴とする、請求項９から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. ロウ材（２０）として銅ベースのロウ材が用いられることを特徴とする、請求項９から１５のいずれか一項に記載の方法。

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