JP6863334B2 - 溶接方法および溶接装置 - Google Patents

Description

本開示は、円筒部材の内側に他の円筒部材が挿入済みの円筒部材ペアの溶接に関する。

特許文献１は、円筒部材ペアの溶接箇所にエネルギーを印加する印加部を、円筒部材の軸心と直交する平面上の周方向において所定の隔たり角度を持って２箇所に配設した溶接装置を提案している。この溶接装置は、円筒部材の軸回りの溶接箇所全域における変形の均等化を通して溶接部分の変形防止に寄与する。

特許３７９９５９９号公報

上記の特許文献１の溶接対象品であるインジェクタには、エンジンブロックに組み込まれて燃料を燃焼室に直接噴射する直噴タイプのインジェクタが存在する。この直噴タイプのインジェクタは、ノズルを燃焼室に突出させているので、ノズルは、燃焼室への再循環空気に伴い燃焼室内で生成される強酸性の酸性凝縮水、具体的には硫酸に、燃焼室内の高温環境下で晒される。よって、ノズルの軸回りの溶接箇所において溶接後の冷却が不均等に進んで残留応力が大きな箇所があると、高残留応力域で酸性凝縮水による応力腐食割れが起き得る。こうしたことから、軸回りの溶接箇所における残留応力の低減を図ることが望ましいものの、特許文献１ではこうした点についての工夫の余地が残されている。このような課題は、インジェクタに限らず、高温腐食環境下で使用される他の種類の円筒部材ペアにも共通する。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本開示の一形態によれば、溶接方法が提供される。この溶接方法は、円筒部材（２２）の内側に他の円筒部材（１１）が挿入済みの円筒部材ペア（４０）を周方向に溶融して溶接する溶接方法であって、前記円筒部材ペアを溶融して溶接するためのエネルギーを前記円筒部材ペアに印加する印加部（２４１，２４２）と前記円筒部材ペアとを前記円筒部材ペアの軸心（４０Ｃ）回りに相対的に回転させつつ、前記印加部から前記円筒部材ペアに前記エネルギーを加えて、前記印加部から加えられるエネルギーの照射部位を前記軸心回りに回転させる回転溶接工程と、前記印加部から前記円筒部材ペアに加えられるエネルギー量を、前記軸心回りの前記円筒部材ペアの回転角度に対応付けて調整する調整工程とを備え、該調整工程では、前記円筒部材の周方向に２箇所以上配置された前記印加部の少なくとも一つの前記印加部である特定印加部（２４１，２４２）についての前記エネルギー量の調整を、溶接終了過程において前記特定印加部から前記エネルギー量を定常エネルギー量ＨＰから低減させる出力ダウン回転角度Ｐｄと、前記円筒部材ペアの周囲に亘る前記照射部位が前記定常エネルギー量ＨＰでオーバーラップするオーバーラップ回転角度Ｐｗと、前記軸心回りの回転方向において隣り合う他の前記印加部と前記特定印加部との隔たり角度θとの間に、Ｐｄ＋Ｐｗ＞θの関係が成立するように、前記回転角度に対応付けて実行する。

この形態の溶接方法によれば、軸心回りの回転方向において隣り合う他の印加部からのエネルギー印加に伴う溶接と特定印加部からのエネルギー印加に伴う溶接との関連付けにより、円筒部材ペアの軸心回りの溶接箇所における溶接終了過程の温度分布を均等化でき、これを通して、冷却後における残留応力の低減を可能とする。

第１実施形態の溶接装置で得られたインジェクタをエンジンに適用した状態を概略断面にて示す説明図。 第１実施形態の溶接装置で得られたインジェクタをその要部であるノズルを破断して示す説明図。 図２に示したインジェクタのノズルを拡大して示す断面図。 第１実施形態の溶接装置の概略を模式的に示す説明図。 第１実施形態の溶接装置による溶接の状況を示す説明図。 第１実施形態の溶接装置のそれぞれの印加部から照射するレーザ出力の様子と溶接痕との関係を示す説明図。 溶接サンプルごとの出力ダウン回転角度Ｐｄとオーバーラップ回転角度Ｐｗと隔たり角度θの諸元を示す説明図。 溶接部位ごとの残留応力分布を溶接サンプルごとに示す説明図。 第２実施形態の溶接装置の概略を模式的に示す説明図。 第２実施形態の溶接装置における第１光学ヘッドを図９におけるＡ方向から矢視して示す説明図。

Ａ．第１実施形態：
第１実施形態の溶接装置２００の溶接対象部材を含むインジェクタ１は、図１に示すように、内燃機関としてのエンジン８０に適用され、燃料としてのガソリンを噴射しエンジン８０に供給する。エンジン８０は、円筒状のシリンダブロック８１、ピストン８２、シリンダヘッド９０、吸気弁９５、排気弁９６、点火プラグ９７等を備えている。ピストン８２は、シリンダブロック８１の内側で往復移動可能に設けられている。シリンダヘッド９０は、シリンダブロック８１の開口端を塞ぐよう設けられている。シリンダブロック８１の内壁とシリンダヘッド９０の壁面とピストン８２との間には、燃焼室８３が形成されている。燃焼室８３は、ピストン８２の往復移動に伴い容積が増減する。シリンダヘッド９０は、インテークマニホールド９１およびエギゾーストマニホールド９３を有している。インテークマニホールド９１には、吸気通路９２が形成されている。吸気通路９２は、一端が大気側に開放されており、他端が燃焼室８３に接続している。吸気通路９２は、大気側から吸入された空気（以下、「吸気」という）を燃焼室８３に導く。エギゾーストマニホールド９３には、排気通路９４が形成されている。排気通路９４は、一端が燃焼室８３に接続しており、他端が大気側に開放されている。排気通路９４は、燃焼室８３で生じた燃焼ガスを含む空気（以下、「排気」という）を大気側へ導く。

インジェクタ１は、インテークマニホールド９１の吸気通路９２のシリンダブロック８１に組み込まれて燃料を燃焼室８３に直接噴射する直噴タイプのインジェクタである。このインジェクタ１は、中心線が燃焼室８３の中心線に対し傾斜するよう、または、捩れの関係となるよう設けられる。ここで、燃焼室８３の中心線は、燃焼室８３の軸であり、シリンダブロック８１の軸と一致する。インジェクタ１は、燃焼室８３の側方に設けられる。このインジェクタ１は、複数の噴孔１３が燃焼室８３の径方向外側の部分に露出するよう設けられる。インジェクタ１には、図示しない燃料ポンプにより燃料噴射圧相当に加圧された燃料が供給される。インジェクタ１の複数の噴孔１３から、円錐状の燃料噴霧Ｆｏが燃焼室８３内に噴射される。

図２に示すように、インジェクタ１は、ハウジング２０の先端にノズル１０を備える。このノズル１０は、例えばマルテンサイト系ステンレス等の金属により形成されている。ノズル１０は、所定の硬度を有するよう焼入れ処理が施されている。ノズル１０は、筒部１１、底部１２、噴孔１３、および、弁座１４等を有している。

図３に示すように、筒部１１は、略円筒状に形成されている。底部１２は、筒部１１の一端を塞いでいる。噴孔１３は、底部１２を貫通する貫通孔であり、底部１２に６つ形成されている。弁座１４は、底部１２の筒部１１側において噴孔１３の周囲に環状に形成されている。

ハウジング２０は、コネクタ部５７を突出して備え、本体部２１の一端側、即ち図２における下端側をノズル保持部２２とし、本体部２１の他端側（図２の上端側）をインレット部２３とする。本体部２１とノズル保持部２２は、本体部２１の内部に組み込まれた図示しない筒状部材と共に、例えばフェライト系ステンレス等の磁性材料により形成され、磁気安定化処理が施されている。インレット部２３は、例えばフェライト系ステンレス等の磁性材料により筒状に形成されている。なお、ハウジング２０は、例えばオーステナイト系ステンレス等の非磁性材料により形成されて磁気絞り部として機能する円筒部材を、本体部２１に組み込んで備える。

ノズル保持部２２は、図２における下端側の内壁がノズル１０の筒部１１の外壁に嵌合するよう設けられている。つまり、円筒部材であるノズル保持部２２の内側に他の円筒部材であるノズル１０、詳しくは筒部１１が挿入済みであり（図３参照）、ノズル保持部２２と筒部１１が本開示における円筒部材ペアとなる。そして、第１実施形態の溶接装置２００は、図３に示すように、ノズル保持部２２の内側に筒部１１が挿入済みの状態で、図中の照射部位ＬＰに向けてレーザを照射する。この照射部位ＬＰは、ノズル保持部２２の先端側の側壁でもよい。照射部位ＬＰは、ノズル１０と共に燃焼室８３に突出するので、燃焼室８３内の高温腐食環境に晒される。従って、照射部位ＬＰに照射されたレーザ光による溶融溶接箇所における残留応力を可能な限り低減して、応力腐食割れの発生を抑制することが好ましい。

ハウジング２０の内側には、インレット部２３からノズル保持部２２の先端に掛けて燃料通路１００が形成されている。燃料通路１００は、ノズル１０の噴孔１３に接続している。すなわち、ノズル１０の筒部１１は、内側に燃料通路１００を形成している。インレット部２３には、図示しない配管が接続される。これにより、燃料通路１００には、燃料供給源（燃料ポンプ）からの燃料が配管を経由して流入し、流入した燃料は、図示しないフィルタを介して異物が捕集された状態で、ノズル１０に流れ込む。

ノズル保持部２２には、ニードル３０が組み込まれている。このニードル３０は、例えばマルテンサイト系ステンレス等の金属により棒状に形成され、所定の硬度を有するよう焼入れ処理が施されている。そして、ニードル３０は、燃料通路１００内をハウジング２０の軸方向へ往復移動可能なようハウジング２０内に収容されている。ニードル３０は、ニードル本体３０１、シート部３１、大径部３２、鍔部３４等を有している。ニードル本体３０１は、棒状に形成されている。シート部３１は、ニードル本体３０１のノズル１０側の端部に形成され、弁座１４に当接可能である。

大径部３２は、ニードル本体３０１の弁座１４側の端部のシート部３１近傍に形成されている。大径部３２は、外径がニードル本体３０１の弁座１４側の端部の外径より大きく設定されている。大径部３２は、外壁がノズル１０の筒部１１の内壁と摺動するよう形成されている。これにより、ニードル３０は、筒部１１の内壁に案内されて、弁座１４側の端部の軸方向に往復移動する。大径部３２には、外壁の周方向の複数箇所が切り欠かれるようにして切欠部３３が形成されている。これにより、燃料は、切欠部３３と筒部１１の内壁との間を流通可能である。

ニードル３０は、本体部２１に組み込まれた図示しないニードル駆動機構によりハウジング２０の軸方向に沿って往復移動し、シート部３１が弁座１４から離間（離座）または弁座１４に当接（着座）することで、噴孔１３を開閉する。この噴孔１３の開閉により、インジェクタ１は、噴孔１３からエンジン８０に燃料を噴射する。なお、ニードル駆動機構は、コイルスプリングや通電を経て磁力を生じるコイル等を用いて構成されているが、これら構成は本開示と直接関係しないので、その図示および説明は省略する。

図４に示すように、上記したインジェクタ１におけるノズル保持部２２と筒部１１とを溶接する第１実施形態の溶接装置２００は、エネルギー源としてのレーザ発生装置２１０と、エネルギー調整装置２２０と、分光器２３０と、第１光学ヘッド２４１と、第２光学ヘッド２４２と、回転駆動部２５０とを備える。溶接装置２００の溶接態様部材は、筒部１１を挿入済みのノズル保持部２２であり、ハウジング２０が溶接装置２００にセットされる。以下、筒部１１を挿入済みのノズル保持部２２を円筒部材ペア４０と称する。

レーザ発生装置２１０は、円筒部材ペア４０を周方向に溶融して溶接するために高エネルギーのレーザを生成する装置であり、例えば、ＹＡＧレーザやＣＯ₂レーザを使用可能である。エネルギー調整装置２２０は、レーザ発生装置２１０で生成されたレーザ光を分光器２３０に導光するに当たり、レーザ光のエネルギー量を調整する。分光器２３０は、エネルギー調整装置２２０でエネルギー量が調整済みのレーザ光を２方向に分光して、分光したレーザ光を第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２とに導光する。なお、レーザ発生装置２１０に、レーザ光のエネルギー量を調整する調整機能を持たせてもよい。

第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２は、分光器２３０から導光されたレーザ光を円筒部材ペア４０の照射部位ＬＰに照射する。第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２は、本開示における印加部に該当し、溶接対象である円筒部材ペア４０の軸心４０Ｃと直交する平面上の周方向の２箇所に位置する。そして、第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２は、円筒部材ペア４０の軸心回りに隣り合い、円筒部材ペア４０の軸心４０Ｃを中心とした隔たり角度θは、８０°≦θ≦１１０°とされている。本実施形態では、隔たり角度θを９０°とした。つまり、第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２は、円筒部材ペア４０の軸心４０Ｃ回りに回転非対称で２箇所配置されることになる。その上で、第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２は、図３に示す照射部位ＬＰに対しては、軸心４０Ｃに対して傾斜したレーザ照射角でレーザ光を照射する。なお、第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２は、軸心４０Ｃに対して直交する平面に沿ってレーザ光を照射してもよい。以下の説明において、第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２を光学ヘッド２４０と総称する。また、第１光学ヘッド２４１から照射されたレーザ光を第１レーザ光Ｌ１、第２光学ヘッド２４２から照射されたレーザ光を第２レーザ光Ｌ２と称して区別する。

回転駆動部２５０は、本開示における回転部に該当し、円筒部材ペア４０を軸心回りに定速で回転させて、光学ヘッド２４０から円筒部材ペア４０に加えられるエネルギーの照射部位、即ちレーザ光の照射部位を軸心４０Ｃ回りに回転させる。本実施形態では、２〜５秒で円筒部材ペア４０が軸心回りに１回転する回転速度（例えば、３０ｒｐｍ）で、円筒部材ペア４０を反時計回りに定速回転させる。よって、両光学ヘッドは、円筒部材ペア４０に対して相対的に時計回りに定速で回転することになる。定速回転する円筒部材ペア４０の照射部位ＬＰに光学ヘッド２４０からレーザ照射がなされることから、エネルギー調整装置２２０は、光学ヘッド２４０から円筒部材ペア４０に加えられるエネルギー量を軸心回りの円筒部材ペア４０の回転角度に対応付けて調整する調整部として機能する。なお、レーザ発生装置２１０やエネルギー調整装置２２０、回転駆動部２５０を統括制御する制御部を、論理演算を実行するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成して備えるようにしてもよい。

上記した構成の溶接装置２００は、軸心回りに定速回転している円筒部材ペア４０に第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２とから第１レーザ光Ｌ１，Ｌ２を照射することで、円筒部材ペア４０を、照射部位ＬＰにおいて全周に亘り溶融溶接する。なお、レーザ光の代わりに、アーク放電または電子ビームなどの他のエネルギーを用いてもよい。

次に、本実施形態の溶接装置２００による溶融溶接について、図５と図６を用いて説明する。図５は、上段に第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２とを隔たり角度θを持って示している。下段には、光学ヘッド２４０を円筒部材ペア４０に対して時計回りに相対的に回転させつつレーザ光を発した際の溶接挙動を、両ヘッドの回転位置と対応付けて示している。図５下段では、内側に、第１光学ヘッド２４１の溶接挙動が第１光学ヘッド２４１自体の回転位置と対応付けて示され、その外側に、第２光学ヘッド２４２の溶接挙動が第２光学ヘッド２４２自体の回転位置と対応付けて示されている。なお、第２光学ヘッド２４２からの第２レーザ光Ｌ２の照射開始ポジションＳＰ２を、説明の便宜上、レーザ照射を受ける円筒部材ペア４０の軸心４０Ｃ回りに０°の基準角度とし、軸心４０Ｃ回りの角度をこの基準位置から時計回りに測った角度として定義する。

図６は、上段に、第１光学ヘッド２４１から照射される第１レーザ光Ｌ１のエネルギー量推移を円筒部材ペア４０の回転角度と関連付けて示し、中段に、第２光学ヘッド２４２から照射される第２レーザ光Ｌ２のエネルギー量推移を円筒部材ペア４０の回転角度と関連付けて示している。そして、下段に、第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２からのレーザ照射に伴う溶接により円筒部材ペア４０に残された溶接痕の一例を示している。

第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２は、図５に示す照射開始ポジションＳＰ１，ＳＰ２に位置する際、レーザ照射を、同時に、開始する。このレーザ照射前に、円筒部材ペア４０は既に定速回転済みである。照射開始ポジションＳＰ１，ＳＰ２に対して両光学ヘッドからレーザ照射が開始されると、溶接開始時からエネルギー量を調整する図４のエネルギー調整装置２２０は、両光学ヘッドに導光されるレーザ光のエネルギー量を値ゼロから規定の定常エネルギー量ＨＰまで徐々にアップする。この様子は図６に示されており、第２光学ヘッド２４２から照射された第２レーザ光Ｌ２は、角度０°（図５参照）の照射開始ポジションＳＰ２からエネルギー量が増大する。第１光学ヘッド２４１から照射された第１レーザ光Ｌ１は、角度２７０°（＝−９０°）の照射開始ポジションＳＰ１からエネルギー量が増加する。この溶接開始時の出力アップは、円筒部材ペア４０が出力アップ回転角度Ｐｕまで回転する回転過程においてなされ、円筒部材ペア４０が出力アップ回転角度Ｐｕまで回転すると、両光学ヘッドから放射されるレーザ光のエネルギー量は、定常エネルギー量ＨＰとなる。この定常エネルギー量ＨＰは、筒部１１が挿入済みのノズル保持部２２、即ち円筒部材ペア４０を照射部位ＬＰ（図３参照）で溶融して溶接できるエネルギー量であり、円筒部材ペア４０を構成する筒部１１とノズル保持部２２の材質や厚み等のスペックに基づいて予め規定されている。

円筒部材ペア４０が出力アップ回転角度Ｐｕまで回転した以降において、エネルギー調整装置２２０は、両光学ヘッドに導光されるレーザ光のエネルギー量を定常エネルギー量ＨＰに維持する。このエネルギー量維持は、円筒部材ペア４０が本溶接回転角度Ｐｈ（＝３６０°）に亘って回転する回転過程において継続される。つまり、円筒部材ペア４０が軸心４０Ｃ回りに１回転するまで、定常エネルギー量ＨＰで、第１光学ヘッド２４１から第１レーザ光Ｌ１が継続照射され、第２光学ヘッド２４２からも第２レーザ光Ｌ２が継続照射される。こうしたレーザ光照射の継続により、円筒部材ペア４０では、筒部１１とノズル保持部２２が照射部位ＬＰにおいて全周に亘り溶融溶接（本溶接）する。

円筒部材ペア４０が本溶接回転角度Ｐｈに亘り回転すると、全周に亘る溶融溶接を担保するため、エネルギー調整装置２２０は、両光学ヘッドに導光されるレーザ光のエネルギー量を定常エネルギー量ＨＰに維持する。これにより、エネルギー量維持は、円筒部材ペア４０がオーバーラップ回転角度Ｐｗに亘って回転する回転過程において更に継続される。つまり、オーバーラップ回転角度Ｐｗに亘って、レーザ光の照射を受けるエネルギー照射部位が定常エネルギー量ＨＰでオーバーラップし、円筒部材ペア４０はオーバーラップ溶接される。

円筒部材ペア４０がオーバーラップ回転角度Ｐｗに亘り回転すると、それ以降において、円筒部材ペア４０の溶接は溶接終了過程となる。よって、エネルギー調整装置２２０は、溶接終了過程において両光学ヘッドに導光されるレーザ光のエネルギー量を定常エネルギー量ＨＰから徐々に低減させる。この出力ダウンは、円筒部材ペア４０がオーバーラップ溶接を受けた後に出力ダウン回転角度Ｐｄまで回転する回転過程においてなされ、円筒部材ペア４０が出力ダウン回転角度Ｐｄまで回転すると、両光学ヘッドから放射されるレーザ光のエネルギー量は値ゼロとなり、円筒部材ペア４０の溶接は終了する。溶接終了後、回転駆動部２５０は、溶接箇所の冷却が完了するまで円筒部材ペア４０の回転を継続し、冷却完了に伴い、円筒部材ペア４０の回転を停止する。円筒部材ペア４０が溶接済みとなったノズル１０、詳しくはノズル１０を有するハウジング２０は、回転駆動部２５０から取り取り外され、新たなハウジング２０が回転駆動部２５０による回転を受けるよう、セットされる。

本実施形態の溶接装置２００におけるエネルギー調整装置２２０は、回転駆動部２５０による円筒部材ペア４０の定速回転制御と協働して、両光学ヘッドから放射されるレーザ光のエネルギー量を、出力ダウン回転角度Ｐｄと、オーバーラップ回転角度Ｐｗと、第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２との隔たり角度θとの間に、Ｐｄ＋Ｐｗ＞θの関係が成立するように、これら回転角度に対応付けて調整する。この場合、出力ダウン回転角度Ｐｄとオーバーラップ回転角度Ｐｗは、いずれもゼロでない値が設定される。また、エネルギー量の調整を図るための上記した回転角度において、出力ダウン回転角度Ｐｄは、オーバーラップ回転角度Ｐｗに対して、Ｐｄ＞Ｐｗとなるように設定することが好ましい。これに加え、出力ダウン回転角度Ｐｄは、両光学ヘッドの隔たり角度θに対して、Ｐｄ≧θとなるように設定されることが好ましい。第１実施形態では、回転角度に対応付けたエネルギー量の調整を行うに当たり、溶接開始時における出力アップ回転角度Ｐｕと、出力ダウン回転角度Ｐｄと、オーバーラップ回転角度Ｐｗとを、第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２とで同じとした。

上記した一連の溶接挙動により円筒部材ペア４０に残る溶接痕は、図６に示すように、両光学ヘッドによる溶接痕が出力ダウン回転角度Ｐｄの間において、本溶接における溶接痕から徐々に狭くなる狭小推移溶接痕となる。そして、軸心４０Ｃの軸回りの回転角度において溶接が先行する第２光学ヘッド２４２による狭小推移溶接痕に、軸心４０Ｃの軸回りの回転角度において溶接が後続する第１光学ヘッド２４１による狭小推移溶接痕が重なることになる。この溶接痕の重なりは、出力ダウン回転角度Ｐｄと両光学ヘッドの隔たり角度θとを、Ｐｄ＞θと設定したことにより起きる。また、ナゲットの最大幅は、オーバーラップ回転角度Ｐｗの約１．１倍となった。

次に、溶接済みの円筒部材ペア４０に残った残留応力について説明する。軸心４０Ｃの軸回りの円筒部材ペア４０の溶接箇所には、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２のエネルギーを受けて起きる溶融溶接とその後の冷却により、応力が残留する。この残留応力を、Ｘ線残留応力測定手法に則り、円筒部材ペア４０の溶接箇所全域の回転角度毎に測定した。測定サンプルは、図７に示すように、第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２との隔たり角度θ（＝９０°）とオーバーラップ回転角度Ｐｗ（＝３０°）で共通する４つの測定サンプルであり、第１サンプルＳ１は、既述したようにエネルギー量の調整を図るためのオーバーラップ回転角度Ｐｗと出力ダウン回転角度Ｐｄの和（Ｐｗ＋Ｐｄ）が両光学ヘッドの隔たり角度θより小さい。第２サンプルＳ２と第３サンプルＳ３および第４サンプルＳ４は、いずれも、オーバーラップ回転角度Ｐｗと出力ダウン回転角度Ｐｄの和（Ｐｗ＋Ｐｄ）が両光学ヘッドの隔たり角度θより大きい（Ｐｄ＋Ｐｗ＞θ）。

これらサンプルの円筒部材ペア４０における残留応力は、図８に示す通り、円筒部材ペア４０の溶接箇所であるノズル端面の回転角度によって相違するが、第１サンプルＳ１だけが、最大残留応力が判定値Ｌｕを越えていた。この結果から、本実施形態の溶接装置２００によれば、被溶接部位の円筒部材ペア４０における軸心４０Ｃ回りの回転方向において隣り合う第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２の隔たり角度θと、オーバーラップ回転角度Ｐｗと、出力ダウン回転角度Ｐｄとの関係をＰｄ＋Ｐｗ＞θに設定することにより、円筒部材ペア４０の軸心４０Ｃ回りの溶接箇所における溶接終了過程の温度分布を均等化でき、これを通して、冷却後における残留応力を低減できる。なお、図７と図８のサンプルでは、隔たり角度θを全て９０°に設定したが、隔たり角度θを９０°以外の値に設定した場合にも同様の結果が得られる。

本実施形態の溶接装置２００は、出力ダウン回転角度Ｐｄをオーバーラップ回転角度Ｐｗに対して、Ｐｄ＞Ｐｗとなるように設定した。即ち、出力ダウン回転角度Ｐｄを、オーバーラップ回転角度Ｐｗよりも大きな値に設定したので、溶接終了時にエネルギーを緩やかに減少させる角度幅が充分に大きくなり、残留応力をより低減できる。

本実施形態の溶接装置２００は、出力ダウン回転角度Ｐｄを第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２の隔たり角度θに対して、Ｐｄ≧θとなるように設定した。この点からも溶接終了時にエネルギーを緩やかに減少させる角度幅を充分に大きくでき、残留応力をより低減できる。

本実施形態の溶接装置２００は、円筒部材ペア４０の軸心４０Ｃ回りの回転角度に対応付けたエネルギー量の調整を行うための出力アップ回転角度Ｐｕと、出力ダウン回転角度Ｐｄと、オーバーラップ回転角度Ｐｗとを、第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２とで同じとした。よって、図４に示すように、第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２には、エネルギー調整装置２２０にてエネルギー量調整済みのレーザ光を分光器２３０で分光して導光するだけで足りる。この結果、機器構成の単純化を通して、コストダウンを図ることができる。

本実施形態の溶接装置２００は、第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２とを、円筒部材ペア４０の軸心４０Ｃ回りに２箇所配置し、円筒部材ペア４０の回転方向に沿って８０°≦θ≦１１０°の隔たり角度θ（＝９０°）とした。よって、円筒部材ペア４０のほぼ９０°離れた箇所に第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２とからレーザを照射するので、第１光学ヘッド２４１から照射される第１レーザ光Ｌ１により円筒部材ペア４０におけるノズル保持部２２および筒部１１が変形しようとする方向から他方の第２光学ヘッド２４２により第２レーザ光Ｌ２が照射される。従って、ノズル保持部２２および筒部１１は、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。

Ｂ．第２実施形態：
第２実施形態の溶接装置２００Ａは、図９に示すように、アルゴン等の不活性ガスを第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２とに供給するガス供給部２６０を備える。なお、溶接装置２００Ａにあっても、図４に示すレーザ発生装置２１０やエネルギー調整装置２２０等を有するが、図９ではその図示を省略している。第１光学ヘッド２４１は、図１０に示すように、レーザ放射孔２４１ａの周囲に複数の弧状長径のガス放射孔２４１ｂを備え、レーザ放射孔２４１ａから放射された第１レーザ光Ｌ１を、複数のガス放射孔２４１ｂからの放射不活性ガスで取り囲む。第２光学ヘッド２４２についても同様である。こうすることで、溶接装置２００Ａは、放射レーザ光による溶接箇所の温度を速やかに低下させるので、オーバーラップ回転角度Ｐｗ等を既述したように規定することで得られる残留応力の低減を、更に顕著なものとできる。

Ｃ．他の実施形態：
（１）上記実施形態では、円筒部材ペア４０を軸心４０Ｃ回りに回転させたが、第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２とを円筒部材ペア４０の軸心４０Ｃ回りに回転させてもよい。

（２）上記実施形態では、第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２の両光学ヘッドからのレーザ光放射を、そのエネルギー量の調整が円筒部材ペア４０の回転角度に対応してなされるように実行したが、これに限らない。即ち、両光学ヘッドの少なくとも一つの光学ヘッド、例えば、軸心４０Ｃの軸回りの回転角度において溶接が先行する第２光学ヘッド２４２を本開示における特定印加部として、この第２光学ヘッド２４２からのレーザ光放射を、そのエネルギー量の調整が円筒部材ペア４０の回転角度に対応してなされるように実行してもよい。この場合には、第１光学ヘッド２４１からのレーザ光放射を、既存のエネルギー量の調整手法で行えばよい。或いは、軸心４０Ｃの軸回りの回転角度において溶接が後続する第１光学ヘッド２４１を本開示における特定印加部として、既述したエネルギー量調整を行い、他の第２光学ヘッド２４２については既存のエネルギー量の調整を行うようにしてもよい。こうすれば、第１光学ヘッド２４１は、軸回りに回転している円筒部材ペア４０の同一箇所に定常エネルギー量ＨＰのエネルギーを最後に印加するので、図６に示す第１レーザ光Ｌ１についての狭小推移溶接痕を残した上で、残留応力の低減をもたらすことができる。

（３）上記実施形態では、第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２とを円筒部材ペア４０の軸心４０Ｃ回りに回転非対称としたが、複数の光学ヘッドを軸心４０Ｃ軸心４０Ｃ回りに回転対称の位置に設置してもよい。この場合には、複数の光学ヘッドからのエネルギー照射について、Ｐｄ＋Ｐｗ＞θが成立するようにすることが好ましい。

（４）上記実施形態では、出力アップ回転角度Ｐｕと、出力ダウン回転角度Ｐｄと、オーバーラップ回転角度Ｐｗとを、第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２とで同じとしたが、これに限らない。例えば、光学ヘッドごとにエネルギー調整装置２２０を備え、光学ヘッドごとに異なる回転角度に対応したエネルギー量調整を行うようにしてもよい。具体的には、オーバーラップ回転角度Ｐｗや出力ダウン回転角度Ｐｄを、Ｐｄ＋Ｐｗ＞θの関係を満たした上で、それぞれの光学ヘッドで異なるようにしてもよい。

（５）上記実施形態では、第１光学ヘッド２４１と第２光学ヘッド２４２の２個の光学ヘッドを用いたが、３個以上の光学ヘッドをほぼ等角度の隔たり角度θで配設し、円筒部材ペア４０の筒部１１とノズル保持部２２とを溶接してもよい。３個以上の光学ヘッドを配設する場合、光学ヘッドの個数をｎ、周方向に隣接している光学ヘッドの隔たり角度をθ°とすると、（３６０／ｎ）−１０≦θ≦（３６０／ｎ）＋１０を満たすように光学ヘッドを配設する。なお、溶接装置の構成上、光学ヘッドの配設個数は１０個程度が限度である。

（６）上記実施形態では、溶接対象をインジェクタ１における円筒部材ペア４０であるノズル１０としたが、円筒部材の内側に他の円筒部材が挿入済みの円筒部材ペアを周方向に溶融して溶接するのであれば、ノズル１０に限らない。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１１…筒部、２２…ノズル保持部、２３…インレット部、４０…円筒部材ペア、４０Ｃ…軸心、２００…溶接装置、２１０…レーザ発生装置、２２０…エネルギー調整装置、２３０…分光器、２４１…第１光学ヘッド、２４２…第２光学ヘッド、２５０…回転駆動部、ＨＰ…定常エネルギー量、Ｌ１…第１レーザ光、Ｌ２…第２レーザ光

Claims (7)

1. 円筒部材（２２）の内側に他の円筒部材（１１）が挿入済みの円筒部材ペア（４０）を周方向に溶融して溶接する溶接方法であって、
   前記円筒部材ペアを溶融して溶接するためのエネルギーを前記円筒部材ペアに印加する印加部（２４１，２４２）と前記円筒部材ペアとを前記円筒部材ペアの軸心（４０Ｃ）回りに相対的に回転させつつ、前記印加部から前記円筒部材ペアに前記エネルギーを加えて、前記印加部から加えられるエネルギーの照射部位を前記軸心回りに回転させる回転溶接工程と、
   前記印加部から前記円筒部材ペアに加えられるエネルギー量を、前記軸心回りの前記円筒部材ペアの回転角度に対応付けて調整する調整工程とを備え、
   該調整工程では、
   前記円筒部材の周方向に２箇所以上配置された前記印加部の少なくとも一つの前記印加部である特定印加部（２４１，２４２）についての前記エネルギー量の調整を、溶接終了過程において前記特定印加部から前記エネルギー量を定常エネルギー量ＨＰから低減させる出力ダウン回転角度Ｐｄと、前記円筒部材ペアの周囲に亘る前記照射部位が前記定常エネルギー量ＨＰでオーバーラップするオーバーラップ回転角度Ｐｗと、前記軸心回りの回転方向において隣り合う他の前記印加部と前記特定印加部との隔たり角度θとの間に、Ｐｄ＋Ｐｗ＞θの関係が成立するように、前記回転角度に対応付けて実行する、
   溶接方法。
2. 請求項１に記載の溶接方法であって、
   前記出力ダウン回転角度Ｐｄと前記オーバーラップ回転角度Ｐｗとは、いずれもゼロより大きく、Ｐｄ＞Ｐｗとなるように設定されている、
   溶接方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の溶接方法であって、
   前記出力ダウン回転角度Ｐｄは、前記隔たり角度θに対して、Ｐｄ≧θとなるように設定されている、
   溶接方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の溶接方法であって、
   前記印加部は、前記軸心回りに回転非対称で２箇所以上配置され、
   前記特定印加部（２４１）は、前記円筒部材ペアの同一箇所にエネルギーを最後に印加する印加部である、
   溶接方法。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の溶接方法であって、
   前記回転溶接工程において、前記印加部は、前記軸心回りに２箇所配置され、
   前記回転方向に沿った前記隔たり角度θは、８０°≦θ≦１１０°に設定されている、
   溶接方法。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の溶接方法であって、
   前記調整工程は、
   前記回転角度に対応付けた前記エネルギー量の調整を行うに当たり、溶接開始時において前記エネルギー量を前記定常エネルギー量まで増大させる出力アップ回転角度Ｐｕと、前記出力ダウン回転角度Ｐｄと、前記オーバーラップ回転角度Ｐｗとを、全ての前記印加部について同じとする、
   溶接方法。
7. 円筒部材（２２）の内側に他の円筒部材（１１）が挿入済みの円筒部材ペア（４０）を周方向に溶融して溶接する溶接装置（２００）であって、
   前記円筒部材ペア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（２１０）と、
   該エネルギー源で生成されたエネルギーを前記円筒部材ペアに印加する印加部（２４１，２４２）と、
   該印加部と前記円筒部材ペアとを前記円筒部材ペアの軸心（４０Ｃ）回りに相対的に回転させて、前記印加部から加えられるエネルギーの照射部位を前記軸心回りに回転させる回転部（２５０）と、
   前記印加部から前記円筒部材ペアに加えられるエネルギー量を、前記軸心回りの前記円筒部材ペアの回転角度に対応付けて調整する調整部（２２０）とを備え、
   前記印加部は、前記円筒部材ペアの軸心と直交する平面上の周方向に２箇所以上配置され、
   前記調整部は、
   少なくとも一つの前記印加部である特定印加部（２４１，２４２）についての前記エネルギー量の調整を、溶接終了過程において前記特定印加部からの前記エネルギー量を定常エネルギー量ＨＰから低減させる出力ダウン回転角度Ｐｄと、前記円筒部材ペアの周囲に亘る前記照射部位が前記定常エネルギー量ＨＰでオーバーラップするオーバーラップ回転角度Ｐｗと、前記軸心回りの回転方向において隣り合う他の前記印加部と前記特定印加部との隔たり角度θとの間に、Ｐｄ＋Ｐｗ＞θの関係が成立するように、前記回転角度に対応付けて実行する、
   溶接装置。

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