JP6248252B2 - 結晶金属体と金属ガラス体の接合体及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関における燃料噴射に用いられるインジェクションノズルを構成するニードルバルブに適用される金属ガラスと結晶金属の接合体、及びそのような接合体を得るための製造方法に関する。

近年、環境問題への解決策としてハイブリッド車及び電気自動車の開発・普及が叫ばれているが、電気自動車の普及にはまだ時間がかかると思われる。一方、欧州においてはディーゼルエンジンによる環境対応が進んでいる。ディーゼルエンジンは、日本においてはトラックの排気微粒子（ＰＭ）排出のイメージが強く、環境対応のイメージが薄いが、実際にはディーゼル燃料はガソリンに比べ燃費においてガソリン車よりも３０％良い。さらに、燃料製造時のＣＯ２排出量がガソリンに比べて４０％も低い。
このことからも、ディーゼルエンジンは環境対応内燃機関である。日本のハイブリッド車はガソリンエンジンと電気モーターの組み合わせであるが、これを世界一厳しい日本の規制をクリアするディーゼルエンジンを開発し、ハイブリッドとすることによって、さらにＣＯ２排出量の削減が可能となる。

ディーゼルエンジンの燃費向上及び不完全燃焼による有害排気ガスの削減のために、コモンレールシステムが用いられている。コモンレールシステムとは、燃料噴射システムのことである。従来の直噴エンジンは１サイクルで１回の燃料噴射であったが、与圧部を設けて予めシステム中を高圧の燃料ガスで満たしておき、ニードルバルブと呼ばれる弁を電子制御で開閉させ、１サイクル中に適時・適量の燃料をシリンダー内に複数回噴射することによって、完全燃焼を促すシステムである。

コモンレールシステムにおける現状のシステム内圧は、１８０〜２００ＭＰａ（１８００〜２０００気圧）程度であるが、これをさらに高圧化することによって噴射される燃料液滴を微細化することができ、完全燃焼させることができるため、システム内圧を２５０〜３００ＭＰａ程度にまで高めることが求められている。

特許文献１には、燃料噴射圧力の高圧化とインジェクションノズルの応答性の向上を達成するため、インジェクションノズルの先端部を金属ガラスによって形成することが開示されている。
さらに、特許文献１には、ニードルバルブの先端部を金属ガラスで、基部をＳＵＳ３１６Ｌのような鍛造合金鋼で作成し、先端部の金属ガラスと基部の鍛造合金鋼（結晶金属）とを接合する点及びその接合に際しては、特許文献２や特許文献３に開示された高エネルギービームによる継ぎ手のような接合技術を適用することが開示されている。
そして、先端部の金属ガラスと基部の鍛造合金鋼（結晶金属）との具体的な接合の方法として、結晶金属からなる基部側に切欠空間を形成するとともに、金属ガラスからなる先端部の側に高エネルギービームの照射位置をシフトして行う旨説明している（図２及び段落００２１〜００２３）。

特開２０１２−９７７２１号公報 特開２００６−８８２０１号公報 国際公開２００９−１４２２１号パンフレット

引用文献１に開示されたインジェクションノズルは、燃料噴射圧力の高圧化とインジェクションノズルの応答性の向上を一挙に達成できるものではあるが、その後研究を進めた結果、ニードルバルブの先端部は直径が３ｍｍ程度しかないため、その内側に空洞を形成して高エネルギービームを照射すると、溶けた金属ガラスが空洞部に入り込んでしまい、溶接接合状態が不良となりやすく必要な強度を得るのが困難であることが分かった。

本発明の課題は、結晶金属からなる円柱状又は円錐台状等の基部と、金属ガラスからなる円柱状又は円錐台状等の先端部とを溶接して十分な強度が得られる構造の接合体を得ること、及びそのような接合体を製造するための溶接接合方法を得ることにある。

本発明に係る接合体は、突き合わせ面が円形である円柱状、円錐台状又はそれらを組み合わせた形状の結晶金属体、及び突き合わせ面が円形である円柱状、円錐台状、円錐状又はそれらを組み合わせた形状の金属ガラス体の中心部に空洞を設けずに溶接接合してなるものである。
とりわけ、前記結晶金属体の突き合わせ面の中央には、前記結晶金属体と同軸の平面視が円形の凹部が形成されるとともに、前記結晶金属体と溶接接合される金属ガラス体の突き合わせ面の中央には、前記凹部と同形状の凸部を形成しておくと、凹部に凸部が嵌入して固定され、かつ溶接接合面の面積が広がるため、より強固に溶接接合された接合体を得ることができる。
また、前記結晶金属体の突き合わせ面の周囲に開先空間が形成されており、結晶金属体と金属ガラス体の溶接接合部の中心は、接合体の表面付近では突き合わせ面から金属ガラス体寄りに離れ、接合体の中心付近では突き合わせ面に近接している。
そして、これらの接合体を製造するための溶接接合方法は、次の工程からなる。
ａ．結晶金属体の突き合わせ面の周囲に開先空間を形成
ｂ．結晶金属体の突き合わせ面と金属ガラス体の突き合わせ面を、両者の中心軸を合致させ突き合わせた状態で前記中心軸の両側から押し付けて保持
ｃ．結晶金属体と金属ガラス体を保持した状態で、両者を前記中心軸の回りに同期して回転
ｄ．結晶金属体と金属ガラス体を同期して回転させながら、金属ガラス体の突き合わせ面より金属ガラス体寄りに高エネルギービームを、該高エネルギービームの照射経路が前記接合体の表面付近では前記突き合わせ面から離れ、前記接合体の中心付近では前記突き合わせ面に近接するように照射して結晶金属体と金属ガラス体を溶接接合

本発明に係る結晶金属体と金属ガラス体の接合体は、溶接接合状態が良好で大きな曲げ応力に耐えることができるので、非常に過酷な環境で使用されるインジェクションノズルのニードルバルブに適用可能である。
そして、金属ガラスは鍛造合金鋼と比較して、高強度、高弾性変形能、高耐摩耗性、高耐食性、超精密鋳造性といった優れた特性を有している。具体的には、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）の引張り強度が６５０ＭＰａであるのに対し、金属ガラスの引張り強さは１７００ＭＰａ、ヤング率はステンレス鋼のヤング率が２０４ＧＰａであるのに対し、金属ガラスのヤング率は８６ＧＰａである。
そのため、金属ガラスをインジェクションノズルのニードルバルブ先端部に適用することによって、ニードルバルブ先端部にゴムのような弾力を持たせることができるので、燃料噴射圧力の高圧化に耐えつつ、高い応答性とシール性とを併せ持たせることができる。

また、金属ガラスの有する高耐摩耗性、高耐食性という特性から、インジェクションノズルの長期にわたるメンテナンスフリー化が可能となる。
さらに、結晶金属体の一部のみに金属ガラス体を溶接接合した接合体をニードルバルブ先端部に適用すれば、少量の金属ガラス体によって、良い特性のニードルバルブを作成することができるので経済的である。
そして、高性能のインジェクションノズルを実現することで、我が国におけるディーゼル車の排ガス規制をクリアすることが可能となり、ディーゼルエンジンハイブリッド車の普及にも貢献できる。

実施例１のニードルバルブを適用したインジェクションノズル。 実施例１の結晶金属体からなる基部と金属ガラス体からなる先端部の断面図及び両者を溶接する際に高エネルギービームを照射する位置と方向を示す図。 実施例１の基部と先端部を溶接する際に用いる高エネルギービーム溶接用回転治具の概念図（ｙ軸を中心に回転するタイプ）。 実施例１の基部と先端部を溶接する際に用いる高エネルギービーム溶接用回転治具の概念図（ｚ軸を中心に回転するタイプ）。

以下、実施例によって本発明の実施形態を説明する。

図１に示すように、実施例１のニードルバルブは、その先端側が円筒状で円形の突き合わせ面を有する結晶金属体１からなる基部と、その基端側が円筒状で円形の突き合わせ面を有するとともに、その先端側が円錐状の金属ガラス体２からなる先端部からなっている。
結晶金属体１にはＳＫＨ５１鋼を用い、金属ガラス体２にはＺｒ_６７．９Ｎｂ_６．１Ｃｕ_１２．８Ｎｉ_９．７Ａｌ_３．５を用いた。
また、結晶金属体１の突き合わせ面の周囲には、高エネルギービームを照射したとき結晶金属体１が溶融して金属ガラス体２と混ざり合わないようにするため、開先空間が形成されている。
結晶金属体１からなる基部と金属ガラス体２からなる先端部は、図２に示すように、いずれも中実であり、結晶金属体１の突き合わせ面側の中央には、結晶金属体１と同軸の円筒形の凹部３が形成され、金属ガラス体２の突き合わせ面側の中央には、金属ガラス体２と同軸の円筒形の凸部４が形成されている。
円筒形の凹部３と凸部４は同形状であり、結晶金属体１の突き合わせ面と金属ガラス体２の突き合わせ面を突き合わせた時、凸部４が凹部３に嵌り込むようになっている。
結晶金属体１及び金属ガラス体２の突き合わせ面は、直径が３〜６ｍｍ、凹部３と凸部４は、直径が０．５〜２ｍｍである。

結晶金属体１の突き合わせ面と金属ガラス体２の突き合わせ面を突き合わせた状態で、図３又は図４に示す高エネルギービーム溶接用回転治具により両側から中心軸方向に押し付けて保持し、その状態で結晶金属体１と金属ガラス体２とを中心軸の回りに同期して回転させる。
そして、一定の速度で回転させながら、結晶金属体１と金属ガラス体２の接合部より金属ガラス体２寄りに高エネルギービーム５を照射して結晶金属体１と金属ガラス体２を溶接接合する。
具体的には、分速５〜５０回転（５〜５０ｒｐｍ）で、０．１〜０．２ｍｍ金属ガラス体２寄りに（シフト量０．１〜０．２ｍｍで）、出力０．３〜１ｋＷの連続的な電子ビーム若しくはレーザービーム、又は出力１〜１．５ｋＷ、パルス幅１〜５ミリ秒（１〜５ｍｓｅｃ）、周波数５〜２０Ｈｚのパルス状レーザービームを照射して、結晶金属体１と金属ガラス体２を溶接接合する。より好ましくは、１５〜２５ｒｐｍ、シフト量０．１３〜０．１７ｍｍで、出力０．５〜０．７ｋＷの連続的な電子ビーム若しくはレーザービーム、又は出力１．１〜１．３ｋＷ、パルス幅２〜４ｍｓｅｃ、周波数８〜１２Ｈｚのパルス状レーザービームを照射して、結晶金属体１と金属ガラス体２を溶接接合する。
このうち、パルス状レーザービームを照射して、結晶金属体１と金属ガラス体２を溶接接合したものにおいては、連続的な電子ビーム若しくはレーザービームを照射して接合したものに比べて、より低入熱で急熱急冷できるため、結晶化が生じない溶接を実現でき、引っ張り試験及び曲げ試験を行った結果、より高い強度が得られることを確認できた。

図３及び４に示す高エネルギービーム溶接用回転治具について説明する。
図３及び４においては、水平の前後方向をｘ軸、水平の左右方向をｙ軸、上下方向（鉛直方向）をｚ軸として説明する。

図３に示す高エネルギービーム溶接用回転治具は、突き合わせ面が円形の２つの被溶接体６をｙ軸方向から押し付けて保持しながら、左右両側にある駆動装置により同じ速度で同期してｙ軸を中心に回転させることができるようになっている。
そのため、この回転治具は、２つの被溶接体６をそれぞれ片側から支持することのできる左右一対の支持体と、その一対の支持体を、それぞれｙ軸を中心に同期して一方向に回転させることのできる回転駆動機構と、一対の支持体の中間部においてｙ軸上の一点に向けて高エネルギービームを照射することのできる照射装置と、一対の支持体をそれぞれｙ軸方向に移動させることのできる位置調整機構と、一対の支持体又は照射装置をｚ軸方向に移動させる焦点調整機構とを備えている。
また、高エネルギービームは、通常は回転治具の上方に設置されている照射装置から回転治具のほぼ中央に真下に向かって照射されるが、被溶接体６への入射角度をｙｚ平面において１０度程度変化させることができるようになっている。
この角度変化によって、高エネルギービームの照射経路を被溶接体６の表面付近では突き合わせ面から離し、被溶接体６の中心付近では突き合わせ面に近接するように調整することができるので、突き合わせ面の表面から中心まで均一な溶接接合状態が得られる。
なお、高エネルギービームは上方からに限らず下方から照射しても良いし、前方又は後方（ｘ軸方向）から照射しても良いが、上方から照射した方が溶けた金属ガラスが重力によって落ちにくいので好ましい。

図４に示す高エネルギービーム溶接用回転治具について説明する。
図４においては、金属ガラス体と結晶金属体を上下方向（ｚ軸方向）から押し付けて保持し、中心軸（ｚ軸）の回りに回転させ、高エネルギービームを右方（ｙ軸方向）から照射する。
高エネルギービームは右方からに限らず左方から照射しても良いし、前方又は後方（ｘ軸方向）から照射しても良い。なお、図４においては、どの方向から照射しても重力の影響は同じなので、他の装置との兼ね合い等を考慮して適宜の位置を選択すれば良い。
その他の構成は、図３のものに対して、ｙ軸方向とｚ軸方向が入れ替わっているだけであり、基本的な構成は全く同じである。

実施例１の変形例を列記する。
（１）実施例１においては、結晶金属材として、強度が高く金属ガラスとの溶接も行いやすいＳＫＨ５１鋼を用いたが、この材質に限らず、ＳＫＨ５１鋼以外のハイス鋼や、ＳＵＳ３１６Ｌ鋼等のステンレス鋼も利用可能である。
また、金属ガラス材として、Ｚｒ_６７．９Ｎｂ_６．１Ｃｕ_１２．８Ｎｉ_９．７Ａｌ_３．５を用いたが、この材質に限らず、Ｚｒ_４１Ｂｅ_２３Ｔｉ_１４Ｃｕ_１２Ｎｉ_１０やＺｒ_５５Ａｌ_１０Ｎｉ_５Ｃｕ_３０等も利用可能である。
（２）高エネルギービーム５を照射する際の具体的条件の最適値については、その回転速度、シフト量、デフォーカス量、出力、パルス幅、周波数ともに、結晶金属体１と金属ガラス体２の大きさ、厚さ、材質等によって、それぞれ異なる。
また、高エネルギービームも電子ビーム及びレーザービームに限らず、イオンビーム等も利用可能である。
（３）実施例１においては、結晶金属体１と金属ガラス体２を一定の速度で回転させながら高エネルギービーム５を照射したが、結晶金属体１と金属ガラス体２を間歇的に回転させながら高エネルギービーム５を照射しても良い。その場合、間歇的な回転とパルス状レーザービームの照射タイミングを関連づけても良い。
（４）実施例１においては、結晶金属体１と金属ガラス体２を直接突き合わせて溶接接合したが、両者の接合部にＺｒをコーティングした上で高エネルギービーム５を照射すると、溶接接合状態を向上させることができる。

１ 結晶金属体
２ 金属ガラス体
３ 凹部
４ 凸部
５ 高エネルギービーム
６ 被溶接体

Claims (4)

1. 突き合わせ面が円形である中実の円柱状、円錐台状又はそれらを組み合わせた形状の結晶金属体と、
   突き合わせ面が円形である中実の円柱状、円錐台状、円錐状又はそれらを組み合わせた形状の金属ガラス体を、
   両者の突き合わせ面で溶接接合してなる接合体であって、
   前記結晶金属体の突き合わせ面側の中央には、該結晶金属体と同軸の平面視が円形の凹部が形成され、
   前記金属ガラス体の突き合わせ面側の中央には、該金属ガラス体と同軸の平面視が円形の凸部が形成され、
   前記結晶金属体の凹部と前記金属ガラス体の凸部が嵌合可能となっているとともに、
   前記結晶金属体の突き合わせ面の周囲に開先空間が形成されており、
   前記結晶金属体と前記金属ガラス体の溶接接合部の中心が前記接合体の表面付近では前記突き合わせ面から前記金属ガラス体寄りに離れ、前記接合体の中心付近では前記突き合わせ面に近接している
   ことを特徴とする接合体。
2. 請求項１に記載の接合体を製造する方法であって、
   前記結晶金属体の突き合わせ面の周囲に開先空間を形成する工程、
   前記結晶金属体の突き合わせ面と前記金属ガラス体の突き合わせ面を、両者の中心軸を合致させ突き合わせた状態で前記中心軸の両側から押し付けて保持する工程、
   前記結晶金属体と前記金属ガラス体を保持した状態で、両者を前記中心軸の回りに同期して回転させる工程、
   前記結晶金属体と前記金属ガラス体を同期して回転させながら、前記金属ガラス体の突き合わせ面より前記金属ガラス体寄りに高エネルギービームを、該高エネルギービームの照射経路が前記接合体の表面付近では前記突き合わせ面から離れ、前記接合体の中心付近では前記突き合わせ面に近接するように照射して、前記結晶金属体と前記金属ガラス体を溶接接合する工程よりなる製造方法。
3. 前記結晶金属体の突き合わせ面又は前記金属ガラス体の突き合わせ面にＺｒコーティングを施す工程を含む請求項２に記載の製造方法。
4. 高エネルギービームを照射するに際して、不活性ガスによるシールドを施す工程を含む請求項２又は３に記載の製造方法。

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