JP7324018B2

JP7324018B2 - 溶接構造

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Publication number: JP7324018B2
Application number: JP2019051370A
Authority: JP
Inventors: 祐成室屋; 一徳南波佐間; 文雄金崎; 佳祐村田; 理宮川; 龍介鈴木
Original assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Current assignee: Saginomiya Seisakusho Inc
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2023-08-09
Anticipated expiration: 2039-03-19
Also published as: JP7499830B2; JP2023026492A; JP2020153418A

Description

本発明は、弁室内に設けられる弁体と、弁室をシールするダイヤフラムと、を備えた弁装置における弁体とダイヤフラムとを溶接接合するための溶接構造に関する。

従来、例えば、冷凍空調装置等に利用される弁装置において、弁室をシールするためのシール部材として、金属ダイヤフラムが利用されている。（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された弁装置（ダイヤフラム弁）は、弁室および弁口（弁座）を有する弁本体（ボディおよびボンネット）と、弁室内に進退自在に設けられる弁体（ステムおよびディスク）と、弁本体と弁体とに亘って設けられて弁室をシールする金属ダイヤフラムと、を備えている。金属ダイヤフラムは、全体円盤状（皿状）の薄板材で形成され、中央部に弁体の軸部を挿通させる挿通孔（取り付け穴）が形成されている。金属ダイヤフラムの外周縁部は、弁本体に挟持されて固定され、内周縁部は、弁体の軸部に溶接されて固着されている。

ところで、冷媒等の高温、高圧流体の流量等を制御する弁装置において、金属ダイヤフラムの金属素材としては耐熱性や耐蝕性に優れたステンレス合金やニッケル基合金が用いられ、その溶接対象物である弁体の金属素材としてはステンレス合金が用いられることがある。特に、ステンレス合金としては、オーステナイト系ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３１６Ｌなど）が用いられ、ニッケル基合金としては、耐熱性、耐蝕性、耐酸化性などに優れたインコネル（登録商標。例えば、インコネル６２５など）が用いられることがあり、加工性や材料コスト等の要因から部位ごとに異なる金属素材が適宜に選択され、その異種金属素材同士が溶接されることがある。

特開平８－２１９３０３号公報

しかしながら、オーステナイト系ステンレス鋼は、一般的に溶接割れを起こしやすい金属素材であることが知られており、オーステナイト系ステンレス鋼とニッケル基合金等との異種金属素材同士の溶接においても、溶接欠陥が生じやすいことが予想される。特に、薄板材からなる金属ダイヤフラムを肉厚な弁体等に溶接する際に、金属ダイヤフラムを板厚方向に貫通して弁体の内部に至るような溶接部が形成されると、溶融金属が固化するときの収縮が拘束されることから、溶接固化部に引張応力が作用して割れが発生しやすくなる。このため、金属ダイヤフラムと弁体等との異種金属素材同士の溶接部における溶接割れを防止しつつ、溶接耐久性を向上させることができる溶接構造が求められていた。

本発明の目的は、弁装置における弁体とダイヤフラムとを溶接接合する際の溶接割れを防止しつつ、溶接耐久性を向上させることができる溶接構造を提供することである。

本発明の溶接構造は、弁室内に設けられる弁体と、前記弁室をシールするダイヤフラムと、を備えた弁装置における前記弁体と前記ダイヤフラムとを溶接接合するための溶接構造であって、前記弁体は、円柱状の軸部を有し、前記ダイヤフラムは、１又は複数の薄板材で構成されるとともに、前記軸部を挿通させる挿通孔を有して構成され、前記軸部には、第一面と、その反対側の第二面と、を有して径方向の外側方向に突出するとともに、周方向に連続した環状の接続部が設けられ、前記ダイヤフラムの前記挿通孔には、前記接続部の前記第一面に沿って径方向の外側方向に延びるとともに、周方向に連続した環状の被溶接部が設けられ、前記接続部および前記被溶接部は、互いの先端部同士が溶接されて断面円形の溶融固化部によって接合されていることを特徴とする。

以上のような本発明によれば、弁体の軸部に設けた接続部およびダイヤフラムの挿通孔に設けた被溶接部の先端部に断面円形の溶融固化部が形成されていることで、溶接割れを防止することができる。すなわち、接続部および被溶接部の先端部同士を溶接することで、溶融した金属が表面張力で円形（溶接部が点であれば球状）となり、凝固する過程で収縮したとしても、その収縮力が母材に作用しにくくなり、収縮による引張応力の発生を抑制することができる。従って、溶融固化部や周辺の母材における溶接割れを防止することができ、残留応力を抑制することによって溶接耐久性を向上させることができる。また、溶融固化部が周方向に連続した環状に形成され、この溶融固化部の溶接耐久性が向上することで、ダイヤフラムによる良好なシール性が維持されることから弁装置の製品寿命を延ばすことができる。

また、本発明の溶接構造は、弁室内に設けられる弁体と、前記弁室をシールするダイヤフラムと、を備えた弁装置における前記弁体と前記ダイヤフラムとを溶接接合するための溶接構造であって、前記弁体は、円柱状の軸部を有し、前記ダイヤフラムは、１又は複数の薄板材で構成されるとともに、前記軸部を挿通させる挿通孔を有して構成され、前記軸部には、第一面と、その反対側の第二面と、を有して径方向の外側方向に突出するとともに、周方向に連続した環状の接続部が設けられ、前記ダイヤフラムの前記挿通孔には、前記接続部の前記第一面に沿って径方向の外側方向に延びるとともに周方向に連続した第１環状部と、該第１環状部の先端から軸方向に延びて前記接続部の先端部に重ねられるとともに周方向に連続した第２環状部と、が設けられ、前記接続部および前記第２環状部は、互いの先端部同士が溶接されて断面円形の溶融固化部によって接合されていることを特徴とするものでもよい。

また、本発明の溶接構造は、弁室内に設けられる弁体と、前記弁室をシールするダイヤフラムと、を備えた弁装置における前記弁体と前記ダイヤフラムとを溶接接合するための溶接構造であって、前記弁体は、円柱状の軸部を有し、前記ダイヤフラムは、１又は複数の薄板材で構成されるとともに、前記軸部を挿通させる挿通孔を有して構成され、前記軸部には、第一面と、その反対側の第二面と、を有して軸方向に突出するとともに、周方向に連続した環状の接続部が設けられ、前記ダイヤフラムの前記挿通孔には、前記接続部の前記第一面に沿って軸方向に延びるとともに周方向に連続した第１環状部と、該第１環状部の先端から径方向の内側方向に延びて前記接続部の先端部に重ねられるとともに周方向に連続した第２環状部と、が設けられ、前記接続部の先端部と、前記第２環状部のうち先端のみと、は、互いに溶接されて断面円形の溶融固化部によって接合されていることを特徴とするものでもよい。

以上のような本発明によれば、弁体の軸部に設けた接続部およびダイヤフラムの挿通孔に設けた第２環状部の先端部に断面円形の溶融固化部が形成されていることで、溶接割れを防止することができる。すなわち、接続部および第２環状部の先端部同士を溶接することで、溶融した金属が表面張力で円形（溶接部が点であれば球状）となり、凝固する過程で収縮したとしても、その収縮力が母材に作用しにくくなり、収縮による引張応力の発生を抑制することができる。従って、溶融固化部や周辺の母材における溶接割れを防止することができ、残留応力を抑制することによって溶接耐久性を向上させることができる。また、溶融固化部が周方向に連続した環状に形成され、この溶融固化部の溶接耐久性が向上することで、ダイヤフラムによる良好なシール性が維持されることから弁装置の製品寿命を延ばすことができる。

この際、前記溶融固化部の直径は、溶接前の前記接続部の先端側および前記被溶接部を合せた厚み寸法以上であることが好ましい。

この構成によれば、溶融固化部が溶接前の接続部の先端側および被溶接部を合せた厚み寸法以上の直径を有する断面円形に形成されることで、溶融固化部と被溶接部および接続部とを滑らかに連続させ、被溶接部や接続部の先端にエッジが残らないようにすることができる。
また、前記溶融固化部の直径は、溶接前の前記接続部の先端側および前記第２環状部を合わせた厚み寸法以上であることが好ましい。

さらに、溶接前の前記接続部の先端側および前記被溶接部の先端側の厚み寸法は、互いに同程度であることが好ましい。

この構成によれば、互いに同程度の厚み寸法を有する溶接前の接続部および被溶接部の先端部を溶接することで、溶接時の溶融金属量を同等にするとともに、生じる熱や応力を均等化することができ、母材に与える熱や応力の影響を抑制して溶接割れを防止することができる。
また、溶接前の前記接続部の先端側および前記第２環状部の先端側の厚み寸法は、互いに同程度であることが好ましい。

また、前記弁体の前記軸部は、主としてオーステナイト系ステンレス鋼からなり、前記ダイヤフラムの薄板材は、主としてニッケル基合金からなってもよい。

この構成によれば、弁体の軸部およびダイヤフラムの薄板材がオーステナイト系ステンレス鋼とニッケル基合金とからなる異種金属素材同士であり、溶融固化部や周辺の母材に溶接割れが生じやすい条件であっても、溶接割れを防止することができる。

また、前記溶融固化部の直径は、溶接前の前記接続部の先端側および前記被溶接部を合せた厚み寸法に対し、１．１倍以上かつ１．６倍以下であることが好ましい。

この構成によれば、溶融固化部の直径が溶接前の接続部の先端側および被溶接部を合せた厚み寸法に対して１．１倍以上かつ１．６倍以下に設定されることで、被溶接部や接続部の先端にエッジが残らず、溶接部の溶接耐久性や力学特性を向上させることができる。
また、前記溶融固化部の直径は、溶接前の前記接続部の先端側および前記第２環状部を合わせた厚み寸法に対し、１．１倍以上かつ１．６倍以下であることが好ましい。

さらに、前記接続部における前記第一面と前記第二面とは、当該接続部の先端に向かって狭まる交差角度を有して設けられ、前記交差角度が４０°以下であることが好ましい。

この構成によれば、接続部における第一面と第二面とが先端に向かって狭まる４０°以下の交差角度で設けられていることで、溶融金属が凝固する際の収縮力が母材に与える影響を抑制し、接続部の溶接割れを防止することができる。

また、前記被溶接部は、前記ダイヤフラムを構成する薄板材の端部を折り返して重ねた折返部によって構成され、前記薄板材の端縁側が前記接続部の前記第一面に沿って設けられていることが好ましい。

この構成によれば、薄板材の端部を折り返して重ねた折返部によってダイヤフラムの被溶接部を構成することで、被溶接部の厚み寸法が大きくなり、溶接時の熱の影響や凝固する際の収縮力の影響を抑制し、被溶接部の溶接割れを防止することができる。

本発明の溶接構造によれば、ダイヤフラムと弁体との溶接部における溶接割れを防止しつつ、溶接耐久性を向上させることができ、弁装置の製品寿命を延ばすことができる。

本発明の第１実施形態に係る溶接構造を用いた弁装置を示す断面図である。前記弁装置の要部を示す拡大断面図である。前記弁装置における溶接構造を示す拡大断面図である。前記弁装置における溶接構造の変形例を示す拡大断面図である。本発明の第２実施形態に係る溶接構造を用いた弁装置を示す断面図である。前記弁装置の要部を示す拡大断面図である。前記弁装置における溶接構造を示す拡大断面図である。本発明の第１の変形例の溶接構造を示す拡大断面図である。本発明の第２の変形例の溶接構造を示す拡大断面図である。本発明の第３の変形例の溶接構造を示す拡大断面図である。本発明の第４の変形例の溶接構造を示す拡大断面図である。

本発明の第１実施形態に係る溶接構造を用いた弁装置について、図１～図４を参照して説明する。本実施形態の弁装置は、変位可能なシール部材である金属ダイヤフラムを備えたものである。図１は、実施形態の弁装置であるダイヤフラム弁１０を示す断面図である。図２は、ダイヤフラム弁１０の要部を示す拡大断面図であり、図１に丸囲み部Ａで示す部分の拡大図である。図３は、ダイヤフラム弁１０における溶接構造を示す拡大断面図であり、図２に丸囲み部Ｂで示す部分の拡大図である。また、図３（Ａ）は溶接接合された弁体およびダイヤフラムの要部を示し、図３（Ｂ）は弁体およびダイヤフラムの溶接接合前の状態を示している。

ダイヤフラム弁１０は、図１に示すように、内部に弁室１１を有する弁本体（ボディ）１２と、弁室１１内に設けられた弁体１３と、弁体１３を進退移動させるために回転操作される操作部１４と、弁室１１の内部をシールする金属ダイヤフラム１５と、を備えた手動開閉タイプのバルブである。弁本体１２は、互いに螺合される第１部材１２ａおよび第２部材１２ｂを備え、第１部材１２ａと第２部材１２ｂとの面合せ部に金属ダイヤフラム１５の外周縁が挟持されている。

弁本体１２の第１部材１２ａは、その一端側に開口して弁室１１に連通する流入ポート１２ｃと、他端側に開口して弁室１１に連通する流出ポート１２ｄと、流入ポート１２ｃが弁室１１に開口した開口である弁ポート１２ｅと、を備える。弁本体１２の第２部材１２ｂは、全体円筒状に形成され、操作部１４の軸部１４ｂを回転支持する軸受部１２ｆと、軸部１４ｂの雄ねじ部１４ｃと螺合する雌ねじ部１２ｇと、を備えて構成されている。

弁体１３は、図２に示すように、上下にフランジを有した円筒状の弁体ケース１３ａと、弁体ケース１３ａの内部に保持された弁部材１３ｂと、弁部材１３ｂよりも上側にて弁体ケース１３ａに保持された連結部材１３ｃと、連結部材１３ｃの上面の凹穴に設けられた球体１３ｄと、を有して構成されている。弁部材１３ｂは、樹脂製やゴム製のパッキンであって、弁ポート１２ｅに着座して密閉可能に構成されている。連結部材１３ｃは、弁体ケース１３ａよりも上方に延びる円柱状の軸部１３ｅを有し、この軸部１３ｅに金属ダイヤフラム１５が固定されている。球体１３ｄは、連結部材１３ｃの凹穴に転動自在に支持されるとともに、上方から当接する操作部１４の当接部１４ｄと連結部材１３ｃとの間に挟まれている。この球体１３ｄによって操作部１４の中心軸Ｘ回りの回転や弁体１３の傾き等が吸収されることで、操作部１４からの下向きの押圧力だけが球体１３ｄを介して弁体１３に伝達されるようになっている。

操作部１４は、ハンドル１４ａと、ハンドル１４ａに上端部が固定されて軸方向に延びる軸部１４ｂと、軸部１４ｂに設けられた雄ねじ部１４ｃと、雄ねじ部１４ｃよりも下方の先端部に設けられた当接部１４ｄと、を備える。軸部１４ｂは、弁本体１２の軸受部１２ｆに回転支持され、雄ねじ部１４ｃは、雌ねじ部１２ｇに螺合されている。当接部１４ｄは、弁体１３の球体１３ｄに当接して設けられている。

金属ダイヤフラム１５は、１枚の全体円形板状（皿状）の金属薄板材からなり、中央部に弁体１３の軸部１３ｅを挿通させる挿通孔１５ａが形成されている。金属ダイヤフラム１５は、その外周縁が弁本体１２の第１部材１２ａと第２部材１２ｂとの間に挟持され、挿通孔１５ａの内周縁が弁体１３の軸部１３ｅに溶接固定されている。また、金属ダイヤフラム１５は、自身の弾性により面外方向に撓むことで弁体１３を上下移動自在に支持するとともに、図１、２に示すように、金属ダイヤフラム１５の弾性による上向きの付勢力が作用することで、弁体１３は、弁部材１３ｂが弁ポート１２ｅから離れた弁開位置にて支持されている。

このようなダイヤフラム弁１０では、操作部１４のハンドル１４ａが回転操作されることで、雄ねじ部１３ｂが雌ねじ部１２ｇに案内されて操作部１４が上下移動し、この上下移動が当接部１４ｄおよび球体１３ｄを介して弁体１３に伝達される。ハンドル１４ａの閉操作により操作部１４が下方に移動すると、その押圧力によって金属ダイヤフラム１５を面外方向下向きに撓ませつつ弁体１３が下方に移動し、弁部材１３ｂが弁ポート１２ｅに着座する。ハンドル１４ａの開操作により操作部１４が上方に移動すると、金属ダイヤフラム１５が初期位置に復帰しようとする弾性力（復元力）によって弁部材１３ｂが上方に移動し、弁部材１３ｂが弁ポート１２ｅから離座する。このように弁部材１３ｂは、操作部１４のハンドル１４ａの操作に伴って弁閉位置と弁閉位置との間を上下方向に進退移動するようになっている。

次に、図３を参照して金属ダイヤフラム１５と弁体１３の軸部１３ｅとの溶接構造について説明する。金属ダイヤフラム１５の厚み寸法ｔは、０．２ｍｍ～０．４ｍｍ程度であり、挿通孔１５ａ側の端部には、下方に向かって折り曲げられるとともに径方向の外側方向に延び、周方向に連続した環状の被溶接部１５ｂが設けられている。被溶接部１５ｂの厚み寸法Ｔ_Bは、金属ダイヤフラム１５の厚み寸法ｔと略同一（Ｔ_B＝ｔ）の０．２ｍｍ～０．４ｍｍ程度となっている。

軸部１３ｅには、径方向の外側方向に突出した接続部１６が周方向に連続した環状に形成されている。接続部１６は、図３（Ｂ）に示すように、被溶接部１５ｂが沿う上側の第一面１６ａと、その反対側（下側）の第二面１６ｂと、接続部１６の先端側を構成する第三面１６ｃと、を有して突起状に形成され、第二面１６ｂが中心軸Ｘと略直交する面に沿って延び、この第二面１６ｂと第一面１６ａとの交差角度θが３０°程度になっている。接続部１６の先端側の厚み寸法Ｔ_Fと、被溶接部１５ｂの厚み寸法Ｔ_Bとは、互いに同程度（Ｔ_F＝Ｔ_B、０．２ｍｍ～０．４ｍｍ程度）となっている。なお、被溶接部１５ｂの厚み寸法Ｔ_Bと接続部１６の先端側の厚み寸法Ｔ_Fとは、０．８≦（Ｔ_B／Ｔ_F）≦１．２となるように設定されていることが好ましい。また、第一面１６ａと第二面１６ｂとの交差角度θは、４０°以下であることが好ましい。

溶融固化部１７は、被溶接部１５ｂおよび接続部１６の先端側からの電子ビーム溶接によって被溶接部１５ｂおよび接続部１６の先端部を溶融、固化させることで形成され、周方向に連続した環状に形成されている。溶融固化部１７は、溶接時に溶融した金属が固化する際に、その表面張力によって収縮することで断面円形に形成されている。溶融固化部１７の中心Ｏは、被溶接部１５ｂと接続部１６の接触面（第一面１６ａ）の延長線上に位置し、溶融固化部１７の半径Ｒは、被溶接部１５ｂの厚み寸法Ｔ_Bおよび接続部１６の先端側の厚み寸法Ｔ_F以上であり、すなわち、溶融固化部１７の直径が被溶接部１５ｂおよび接続部１６の先端側を合せた厚み寸法以上に形成されている。なお、溶融固化部１７は、被溶接部１５ｂや接続部１６の先端にエッジが残らず、かつ滑らかに連続することが好ましく、そのために溶融固化部１７の直径は、被溶接部１５ｂおよび接続部１６の先端側を合せた厚み寸法の１．１倍以上かつ１．６倍以下であることが好ましい。

次に、ダイヤフラム弁１０を構成する各部材の金属素材について説明する。金属ダイヤフラム１５は、主としてニッケル基合金から構成される。ニッケル基合金としては、耐熱性、耐蝕性、耐酸化性などに優れたインコネル（登録商標）が好適である。ニッケル基合金は、含有ニッケル量が５０％以上のものであって、ＮＣＦ６００、ＮＣＦ６０１、ＮＣＦ６２５、ＮＣＦ６９０、ＮＣＦ７１８、ＮＣＦ７５０、ＮＣＦ７５１、ＮＣＦ８０Ａ（以上の記号は、JIS G 4902:1992耐食耐熱超合金板に基づく）が例示できる。

弁体１３の連結部材１３ｃは、主としてオーステナイト系ステンレス鋼から構成される。オーステナイト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ３０４系のものが好適であるが、その中でも耐蝕性に優れたＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１６ＬＮ、ＳＵＳ３２１、ＳＵＳ３４７が例示できる。このようなオーステナイト系ステンレス鋼からなる連結部材１３ｃと、ニッケル基合金からなる金属ダイヤフラム１５と、の溶接によって形成される溶融固化部１７は、主としてオーステナイト相となる。

なお、本実施形態における溶接構造は、以下の図４に示すものであってもよい。図４は、ダイヤフラム弁１０における溶接構造の変形例を示す拡大断面図である。

図４に示す変形例の溶接構造において、金属ダイヤフラム１５は、厚み寸法ｔが０．１ｍｍ～０．２ｍｍ程度の薄板材からなり、その被溶接部１５ｂは、薄板材の端部を折り返して重ねた折返部によって構成されている。この被溶接部１５ｂは、周方向に連続した環状に形成されるとともに、薄板材の端縁側が接続部１６の第一面１６ａに沿って設けられている。被溶接部１５ｂの厚み寸法Ｔ_Bは、薄板材を２枚重ねた寸法（Ｔ_B＝２ｔ）であり、０．２ｍｍ～０．４ｍｍ程度となっている。また、接続部１６の第一面１６ａは、中心軸Ｘに対して略４５°傾斜した面に沿って延び、この第一面１６ａと第二面１６ｂとの交差角度θが１０°程度になっている。

以上の本実施形態によれば、金属ダイヤフラム１５の被溶接部１５ｂおよび弁体１３の接続部１６の先端部に溶融固化部１７が設けられ、被溶接部１５ｂおよび接続部１６を合せた厚み寸法以上の直径を有する断面円形に溶融固化部１７が形成されている。このように被溶接部１５ｂおよび接続部１６の先端部同士を溶接することで、溶融した金属が表面張力で断面円形となり、凝固する過程で収縮したとしても、その収縮力が母材に作用しにくくなり、収縮による引張応力の発生を抑制することができる。従って、溶融固化部１７や周辺の母材における溶接割れを防止することができ、残留応力を抑制することによって溶接耐久性を向上させることができる。

金属ダイヤフラム１５の被溶接部１５ｂの先端側および弁体１３の接続部１６の先端側の厚み寸法Ｔ_F，Ｔ_Bが互いに同程度であり、このように互いに同程度の厚み寸法を有した被溶接部１５ｂおよび接続部１６の先端部同士を溶接することで、溶接時の溶融金属量を同等にするとともに、生じる熱や応力を均等化することができ、母材に与える熱や応力の影響を抑制して溶接割れを防止することができる。

また、弁体１３の連結部材１３ｃが主としてオーステナイト系ステンレス鋼からなり、金属ダイヤフラム１５が主としてニッケル基合金からなり、溶融固化部１７が主としてオーステナイト相となる異種金属素材同士であり、溶融固化部１７や周辺の母材に溶接割れが生じやすい条件であっても、溶接割れを防止することができる。

また、溶融固化部１７の直径が被溶接部１５ｂおよび接続部１６の先端側を合せた厚み寸法以上に形成されていることで、溶融固化部１７と被溶接部１５ｂおよび接続部１６とを滑らかに連続させ、被溶接部１５ｂや接続部１６の先端にエッジが残らないようにでき、溶接部の溶接耐久性や力学特性を向上させることができる。

また、接続部１６における第一面１６ａと第二面１６ｂとが先端に向かって狭まる４０°以下の交差角度θで設けられていることで、溶融金属が凝固する際の収縮力が母材に与える影響を抑制し、接続部１６周辺の溶接割れを防止することができる。

また、金属ダイヤフラム１５において、図４に示すように、薄板材の端部を折り返して重ねた折返部によって被溶接部１５ｂを構成することで、被溶接部１５ｂの厚み寸法が大きくなり、溶接時の熱の影響や凝固する際の収縮力の影響を抑制し、被溶接部１５ｂの溶接割れを防止することができる。

また、ダイヤフラム弁１０の金属ダイヤフラム１５において、周方向に連続した溶融固化部１７が形成され、この溶融固化部１７周辺の溶接割れが防止されて溶接耐久性が向上することで、金属ダイヤフラム１５の良好なシール性が維持されることからダイヤフラム弁１０の製品寿命を延ばすことができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る溶接構造を用いた弁装置について、図５～図７を参照して説明する。図５は、本実施形態の弁装置であるダイヤフラム弁２０を示す断面図である。図６は、ダイヤフラム弁２０の要部を示す拡大断面図であり、図５に丸囲み部Ａで示す部分の拡大図である。図７は、ダイヤフラム弁２０における溶接構造を示す拡大断面図であり、図６に丸囲み部Ｂで示す部分の拡大図である。また、図７（Ａ）は溶接接合された弁体およびダイヤフラムの要部を示し、図７（Ｂ）は弁体およびダイヤフラムの溶接接合前の状態を示している。

ダイヤフラム弁２０は、前記第１実施形態のダイヤフラム弁１０と略同様の構造を備えた手動開閉タイプのバルブであり、図５に示すように、内部に弁室２１を有する弁本体（ボディ）２２と、弁室２１内に設けられた弁体２３と、弁体２３を進退移動させるために回転操作される操作部２４と、弁室２１の内部をシールする金属ダイヤフラム２５と、を備える。弁本体２２は、互いに螺合される第１部材２２ａおよび第２部材２２ｂを備え、第１部材２２ａと第２部材２２ｂとの面合せ部に金属ダイヤフラム２５の外周縁が挟持されている。

弁本体２２の第１部材２２ａは、流入ポート２２ｃと、流出ポート２２ｄと、弁ポート２２ｅと、を備え、第２部材２２ｂは、軸受部２２ｆと、雌ねじ部２２ｇと、を備えて構成されている。弁体２３は、図６に示すように、弁体ケース２３ａと、弁部材２３ｂと、連結部材２３ｃと、球体２３ｄと、を有して構成されている。連結部材２３ｃは、円柱状の軸部２３ｅを有し、この軸部２３ｅに金属ダイヤフラム２５が固定されている。操作部２４は、ハンドル２４ａと、軸部２４ｂと、雄ねじ部２４ｃと、当接部２４ｄと、を備える。

金属ダイヤフラム２５は、１枚の全体円形板状（皿状）の金属薄板材からなり、中央部に弁体２３の軸部２３ｅを挿通させる挿通孔２５ａが形成されている。金属ダイヤフラム２５は、その外周縁が弁本体２２の第１部材２２ａと第２部材２２ｂとの間に挟持され、挿通孔２５ａの内周縁が弁体２３の軸部２３ｅに溶接固定されている。

次に、図７を参照して金属ダイヤフラム２５と弁体２３の軸部２３ｅとの溶接構造について説明する。金属ダイヤフラム２５の厚み寸法ｔは、０．２ｍｍ～０．４ｍｍ程度であり、挿通孔２５ａ側の端部には、軸方向（中心軸Ｘの方向）に沿って上方に折り曲げられるとともに、周方向に連続した環状の被溶接部２５ｂが設けられている。被溶接部２５ｂの厚み寸法Ｔ_Bは、金属ダイヤフラム２５の厚み寸法ｔと略同一（Ｔ_B＝ｔ）の０．２ｍｍ～０．４ｍｍ程度となっている。

軸部２３ｅには、軸方向に沿って上方に突出した接続部２６が周方向に連続した環状に形成されている。接続部２６は、図７（Ｂ）に示すように、被溶接部２５ｂが沿う径方向外側の第一面２６ａと、その反対側（径方向内側）の第二面２６ｂと、接続部２６の先端側を構成する第三面２６ｃと、を有して突起状に形成され、第一面２６ａと第二面２６ｂとの交差角度θが２０°程度になっている。接続部２６の先端側の厚み寸法Ｔ_Fと、被溶接部２５ｂの厚み寸法Ｔ_Bとは、互いに同程度（Ｔ_F＝Ｔ_B、０．２ｍｍ～０．４ｍｍ程度）となっている。なお、被溶接部２５ｂの厚み寸法Ｔ_Bと接続部２６の先端側の厚み寸法Ｔ_Fとは、０．８≦（Ｔ_B／Ｔ_F）≦１．２となるように設定されていることが好ましい。また、第一面２６ａと第二面２６ｂとの交差角度θは、４０°以下であることが好ましい。

溶融固化部２７は、被溶接部２５ｂおよび接続部２６の先端側からの電子ビーム溶接によって被溶接部２５ｂおよび接続部２６の先端部を溶融、固化させることで形成され、周方向に連続した環状に形成されている。溶融固化部２７は、溶接時に溶融した金属が固化する際に、その表面張力によって収縮することで断面円形に形成されている。溶融固化部２７の中心Ｏは、被溶接部２５ｂと接続部２６の接触面（第一面２６ａ）の延長線上に位置し、溶融固化部２７の半径Ｒは、被溶接部２５ｂの厚み寸法Ｔ_Bおよび接続部２６の先端側の厚み寸法Ｔ_F以上であり、すなわち、溶融固化部２７の直径が被溶接部２５ｂおよび接続部２６の先端側を合せた厚み寸法以上に形成されている。なお、溶融固化部２７は、被溶接部２５ｂや接続部２６の先端にエッジが残らず、かつ滑らかに連続することが好ましく、そのために溶融固化部２７の直径は、被溶接部２５ｂおよび接続部２６の先端側を合せた厚み寸法の１．１倍以上かつ１．６倍以下であることが好ましい。

以上のダイヤフラム弁２０を構成する各部材の金属素材としては、前記第１実施形態のダイヤフラム弁１０と同様であり、金属ダイヤフラム２５は、主としてニッケル基合金から構成され、弁体２３の連結部材２３ｃは、主としてオーステナイト系ステンレス鋼から構成される。従って、連結部材２３ｃと金属ダイヤフラム２５との溶接によって形成される溶融固化部２７は、主としてオーステナイト相となる。なお、本実施形態において、被溶接部２５ｂは、金属ダイヤフラム２５の挿通孔２５ａ側の端部から軸方向下向きに折り曲げられ、接続部２６は、軸部２３ｅから軸方向に下向きに突出して設けられ、これらの被溶接部２５ｂと接続部２６の先端部同士が溶接接合されていてもよい。

以上の本実施形態によれば、前記第１実施形態と同様の効果を奏することができ、溶融固化部２７や周辺の母材における溶接割れを防止することができ、残留応力を抑制することによって溶接耐久性を向上させることができる。従って、金属ダイヤフラム２５の良好なシール性が維持されることからダイヤフラム弁２０の製品寿命を延ばすことができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。例えば、前記実施形態では、弁装置として、手動開閉タイプのバルブを例示したが、本発明の弁装置は、モータによって駆動される電動弁や、その他の開閉形式を備えたものなどにも適用可能である。

また、前記実施形態では、弁体１３，２３の軸部１３ｅ，２３ｅおよび金属ダイヤフラム１５，２５の金属素材として、オーステナイト系ステンレス鋼とニッケル基合金との組合せを例示したが、各部の金属素材としては、同種のものを組み合わせてもよいし、前記実施形態の組合せ以外の異種金属を組み合わせてもよい。また、金属ダイヤフラム１５，２５の被溶接部１５ｂ，２５ｂおよび弁体１３，２３の接続部１６，２６の形状や寸法についても前記実施形態のものに限定されず、それらの先端部に形成される溶融固化部が断面円形となっていればよい。

また、前記実施形態では、被溶接部１５ｂ，２５ｂおよび接続部１６，２６の先端部を電子ビーム溶接によって溶接して溶融固化部１７が形成されるものとしたが、これに限らず、レーザー溶接やマイクロプラズマ溶接（ＴＩＧ溶接）など、適宜な溶接方法を採用することができる。

また、前記第２実施形態では、金属ダイヤフラム２５の挿通孔２５ａ側の端部に、軸方向に沿って上方に折り曲げられた被溶接部２５ｂが設けられるものとしたが、ダイヤフラムは、挿通孔側において軸方向に沿って折り曲げられた後、径方向に沿って折り曲げられていてもよい。

例えば、第１の変形例として図８に示す溶接構造のように、金属ダイヤフラム３が、接続部２６の第一面２６ａに沿って軸方向に延びる第１環状部３１と、第１環状部３１の先端から径方向の内側方向に延びる第２環状部３２と、を有する構成としてもよい。第１環状部３１は、前記第２実施形態の被溶接部２５ｂに相当する部分であって、周方向に連続して形成される。第２環状部３２は、周方向に連続して形成され、接続部２６の先端部である第三面２６ｃに重ねられる。電子ビーム溶接によって、第２環状部３２および接続部２６の先端部を溶融、固化させることにより、周方向に連続した環状の溶融固化部３３が形成される。このとき、第１環状部３１の先端部も同時に溶融、固化されてもよい。また、図示の形状では、第２環状部３２全体が溶融されているが、第２環状部３２のうち先端部のみが溶融されてもよい。

尚、第１の変形例では、前記第２実施形態と同様に接続部２６が軸方向に沿って突出しているものとしたが、前記第１実施形態のように接続部１６が径方向に沿って突出した構成において、ダイヤフラムに、接続部１６の第一面１６ａに沿って径方向の外側方向に延びるとともに周方向に連続した第１環状部と、第１環状部の先端から軸方向に延びて接続部１６の先端部に重ねられるとともに周方向に連続した第２環状部と、を設けてもよい。

また、前記実施形態では、金属ダイヤフラム１５、２５が１枚の金属薄板材からなるものとしたが、ダイヤフラムは複数の薄板材によって構成されていてもよい。例えば第２～第４の変形例として図９～１１のそれぞれに示す溶接構造のように、金属ダイヤフラムが２枚の金属薄板材によって構成されるものとしてもよい。

第２の変形例の溶接構造では、金属ダイヤフラム４が、上側の第１薄板４１と下側の第２薄板４２とを有する。第１薄板４１は、接続部２６の第一面２６ａに沿って軸方向に延びる第１環状部４１１と、第１環状部４１１の先端から径方向の内側方向に延びる第２環状部４１２と、を有し、第１の変形例における金属ダイヤフラム３と同様の形状を有している。第２薄板４２は、接続部２６の第一面２６ａに沿って軸方向に延びる被溶接部４２１を有し、前記第２実施形態の金属ダイヤフラム２５と同様の形状を有している。電子ビーム溶接によって、第２環状部４１２の先端部と、被溶接部４２１の先端部と、接続部２６の先端部と、を溶融、固化させることにより、周方向に連続した環状の溶融固化部４３が形成される。このとき、第１環状部４１１の先端部も同時に溶融、固化されてもよい。

第３の変形例の溶接構造では、金属ダイヤフラム５が、上側の第１薄板５１と下側の第２薄板５２とを有する。第１薄板５１は、接続部２６の第一面２６ａに沿って軸方向に延びる第１環状部５１１と、第１環状部５１１の先端から径方向の内側方向に延びる第２環状部５１２と、を有し、第１の変形例における金属ダイヤフラム３と同様の形状を有している。第２薄板５２は、接続部２６の第一面２６ａに沿って軸方向に延びる第１環状部５２１と、第１環状部５２１の先端から径方向の内側方向に延びる第２環状部５２２と、を有し、第１の変形例における金属ダイヤフラム３と同様の形状を有している。電子ビーム溶接によって、第２環状部５１２の先端部と、第２環状部５２２の先端部と、接続部２６の先端部と、を溶融、固化させることにより、周方向に連続した環状の溶融固化部５３が形成される。このとき、第１環状部５１１、５２１の先端部も同時に溶融、固化されてもよい。

第４の変形例の溶接構造では、金属ダイヤフラム６が、上側の第１薄板６１と下側の第２薄板６２とを有する。第１薄板６１は、接続部２６の第一面２６ａに沿って軸方向に延びる被溶接部６１１を有し、前記第２実施形態の金属ダイヤフラム２５と同様の形状を有している。第２薄板６２は、接続部２６の第一面２６ａに沿って軸方向に延びる被溶接部６２１を有し、前記第２実施形態の金属ダイヤフラム２５と同様の形状を有している。電子ビーム溶接によって、被溶接部６１１の先端部と、被溶接部６２１の先端部と、接続部２６の先端部と、を溶融、固化させることにより、周方向に連続した環状の溶融固化部６３が形成される。

尚、第２～第４の変形例においては、第１薄板および第２薄板の合計の厚み寸法は、前記実施形態における金属ダイヤフラム１５、２５の厚み方向寸法ｔと同程度であればよい。また、第１～第４の変形例の溶融固化部３３、４３、５３、６３は、前記実施形態における溶融固化部１７、２７と同程度の寸法を有していればよい。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

１０，２０ダイヤフラム弁（弁装置）
１１，２１弁室
１３，２３弁体
１３ｅ，２３ｅ軸部
１５，２５、３～６金属ダイヤフラム
１５ａ，２５ａ挿通孔
１５ｂ，２５ｂ、４２１、６１１、６２１被溶接部
１６，２６接続部
１６ａ，２６ａ第一面
１６ｂ，２６ｂ第二面
１７，２７、３３、４３、５３、６３溶融固化部
３１、４１１、５１１、５２１第１環状部
３２、４１２、５１２、５２２第２環状部

Claims

弁室内に設けられる弁体と、前記弁室をシールするダイヤフラムと、を備えた弁装置における前記弁体と前記ダイヤフラムとを溶接接合するための溶接構造であって、
前記弁体は、円柱状の軸部を有し、
前記ダイヤフラムは、１又は複数の薄板材で構成されるとともに、前記軸部を挿通させる挿通孔を有して構成され、
前記軸部には、第一面と、その反対側の第二面と、を有して径方向の外側方向に突出するとともに、周方向に連続した環状の接続部が設けられ、
前記ダイヤフラムの前記挿通孔には、前記接続部の前記第一面に沿って径方向の外側方向に延びるとともに、周方向に連続した環状の被溶接部が設けられ、
前記接続部および前記被溶接部は、互いの先端部同士が溶接されて断面円形の溶融固化部によって接合されていることを特徴とする溶接構造。
前記被溶接部は、前記ダイヤフラムを構成する薄板材の端部を折り返して重ねた折返部によって構成され、前記薄板材の端縁側が前記接続部の前記第一面に沿って設けられていることを特徴とする請求項１に記載の溶接構造。
弁室内に設けられる弁体と、前記弁室をシールするダイヤフラムと、を備えた弁装置における前記弁体と前記ダイヤフラムとを溶接接合するための溶接構造であって、
前記弁体は、円柱状の軸部を有し、
前記ダイヤフラムは、１又は複数の薄板材で構成されるとともに、前記軸部を挿通させる挿通孔を有して構成され、
前記軸部には、第一面と、その反対側の第二面と、を有して径方向の外側方向に突出するとともに、周方向に連続した環状の接続部が設けられ、
前記ダイヤフラムの前記挿通孔には、前記接続部の前記第一面に沿って径方向の外側方向に延びるとともに周方向に連続した第１環状部と、該第１環状部の先端から軸方向に延びて前記接続部の先端部に重ねられるとともに周方向に連続した第２環状部と、が設けられ、
前記接続部および前記第２環状部は、互いの先端部同士が溶接されて断面円形の溶融固化部によって接合されていることを特徴とする溶接構造。
弁室内に設けられる弁体と、前記弁室をシールするダイヤフラムと、を備えた弁装置における前記弁体と前記ダイヤフラムとを溶接接合するための溶接構造であって、
前記弁体は、円柱状の軸部を有し、
前記ダイヤフラムは、１又は複数の薄板材で構成されるとともに、前記軸部を挿通させる挿通孔を有して構成され、
前記軸部には、第一面と、その反対側の第二面と、を有して軸方向に突出するとともに、周方向に連続した環状の接続部が設けられ、
前記ダイヤフラムの前記挿通孔には、前記接続部の前記第一面に沿って軸方向に延びるとともに周方向に連続した第１環状部と、該第１環状部の先端から径方向の内側方向に延びて前記接続部の先端部に重ねられるとともに周方向に連続した第２環状部と、が設けられ、
前記接続部の先端部と、前記第２環状部のうち先端のみと、は、互いに溶接されて断面円形の溶融固化部によって接合されていることを特徴とする溶接構造。
前記溶融固化部の直径は、溶接前の前記接続部の先端側および前記被溶接部を合せた厚み寸法以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接構造。
前記溶融固化部の直径は、溶接前の前記接続部の先端側および前記第２環状部を合わせた厚み寸法以上であることを特徴とする請求項３または４に記載の溶接構造。
溶接前の前記接続部の先端側および前記被溶接部の先端側の厚み寸法は、互いに同程度であることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接構造。
溶接前の前記接続部の先端側および前記第２環状部の先端側の厚み寸法は、互いに同程度であることを特徴とする請求項３または４に記載の溶接構造。
前記弁体の前記軸部は、主としてオーステナイト系ステンレス鋼からなり、前記ダイヤフラムの薄板材は、主としてニッケル基合金からなることを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の溶接構造。
前記溶融固化部の直径は、溶接前の前記接続部の先端側および前記被溶接部を合せた厚み寸法に対し、１．１倍以上かつ１．６倍以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接構造。
前記溶融固化部の直径は、溶接前の前記接続部の先端側および前記第２環状部を合わせた厚み寸法に対し、１．１倍以上かつ１．６倍以下であることを特徴とする請求項３または４に記載の溶接構造。
前記接続部における前記第一面と前記第二面とは、当該接続部の先端に向かって狭まる交差角度を有して設けられ、前記交差角度が４０°以下であることを特徴とする請求項１～１１のいずれか一項に記載の溶接構造。