(57)【要約】【課題】第１金属部材と第２金属部材を良好に接合可能な溶接部を形成することができる溶接部形成構造及び金属部材の接合方法を提供する。【解決手段】溶接部形成構造１０は、バルブシート１２とシリンダヘッド本体１６とを接合する溶接部２０を形成する。開口周縁部３２の内周面には、第２接合面３６から突出する凸部５８と、第１起点部６４から延在する第１テーパ面６０と、第２起点部６６から延在する第２テーパ面６２とが設けられる。凸部５８の第１面６８と第２面７０とが形成する角部の頂点７２と第１起点部６４との径方向の距離をＡとし、頂点７２と第２起点部６６との径方向の距離をＢとするとき、Ａ＞０、Ａ≧Ｂ、Ｂ≧０の全てを満足する関係が成り立つ。また、バルブシート１２の第１接合面３４が軸方向となす角度θ１と、第２接合面３６が軸方向となす角度θ２とが等しい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円環状の第１金属部材と、該第１金属部材が挿入される挿入口を有する第２金属部材とを接合する溶接部を形成するための溶接部形成構造であって、
前記第１金属部材は、前記挿入口の軸方向の一端側から他端側に向かって挿入され、該第１金属部材の外周面には、前記挿入口への挿入方向の先端側から基端側に向かって拡径するテーパ状の第１接合面が設けられ、
前記挿入口の内周面には、前記第１接合面と溶接部を形成可能な第２接合面から突出する円環状の凸部と、前記第２接合面の前記凸部が立ち上がる前記一端側の第１起点部から前記挿入口の前記一端側に向かって前記挿入口を拡径する方向に延在するテーパ状の第１テーパ面と、前記第２接合面の前記凸部が立ち上がる前記他端側の第２起点部から前記挿入口の前記他端側に向かって前記挿入口を縮径する方向に延在するテーパ状の第２テーパ面とが設けられ、
前記凸部は、前記第１起点部から前記挿入口の径方向の中心側に向かって延在する第１面と、前記第２起点部から前記第１面の延在端部に向かって延在して前記第１面と角部を形成する第２面と、を有し、
前記角部の頂点と前記第１起点部との前記径方向の距離をＡとし、前記頂点と前記第２起点部との前記径方向の距離をＢとするとき、Ａ＞０、Ａ≧Ｂ、Ｂ≧０の全てを満足する関係が成り立ち、
且つ前記第１接合面が前記第１金属部材の軸方向となす角度と、前記第１起点部と前記第２起点部を最短距離で結ぶ前記第２接合面が前記挿入口の軸方向となす角度とが等しいことを特徴とする溶接部形成構造。
【請求項２】
円環状の第１金属部材と、該第１金属部材が挿入される挿入口を有する第２金属部材とを接合する溶接部を形成するための溶接部形成構造であって、
前記第１金属部材は、前記挿入口の軸方向の一端側から他端側に向かって挿入され、該第１金属部材の外周面には、前記挿入口への挿入方向の先端側から基端側に向かって拡径するテーパ状の第１接合面が設けられ、
前記挿入口の内周面には、前記第１接合面と溶接部を形成可能な第２接合面から突出する円環状の凸部と、前記第２接合面の前記凸部が立ち上がる前記一端側の第１起点部から前記挿入口の前記一端側に向かって前記挿入口を拡径する方向に延在するテーパ状の第１テーパ面と、前記第２接合面の前記凸部が立ち上がる前記他端側の第２起点部から前記挿入口の前記他端側に向かって前記挿入口を縮径する方向に延在するテーパ状の第２テーパ面とが設けられ、
前記凸部は、前記第１起点部から前記挿入口の径方向の中心側に向かって延在する第１面と、前記第２起点部から前記第１面の延在端部に向かって延在して前記第１面と角部を形成する第２面と、を有し、
前記角部の内角側で、前記角部の頂点を通って前記挿入口の軸方向に沿う基準線と前記第１面とがなす角度をαとし、前記基準線と前記第２面とがなす角度をβとするとき、α＞０、α≧β、β≧０の全てを満足する関係が成り立ち、
且つ前記第１接合面が前記第１金属部材の軸方向となす角度と、前記第１起点部と前記第２起点部を最短距離で結ぶ前記第２接合面が前記挿入口の軸方向となす角度とが等しいことを特徴とする溶接部形成構造。
【請求項３】
円環状の第１金属部材と、該第１金属部材が挿入される挿入口を有する第２金属部材とを接合する溶接部を形成するための溶接部形成構造であって、
前記第１金属部材は、前記挿入口の軸方向の一端側から他端側に向かって挿入され、該第１金属部材の外周面には、前記挿入口への挿入方向の先端側から基端側に向かって拡径するテーパ状の部分を有する第１接合面が設けられ、
前記挿入口の内周面には、前記第１接合面と溶接部を形成可能な第２接合面から突出する円環状の凸部が設けられ、
前記凸部は、前記第２接合面の前記凸部が立ち上がる前記一端側の第１起点部から前記挿入口の径方向の中心側に向かって延在する第１面と、前記第２接合面の前記凸部が立ち上がる前記他端側の第２起点部から前記第１面の延在端部に向かって延在して前記第１面と角部を形成する第２面と、を有し、
前記挿入口の軸に沿う断面で前記第１面の前記第１起点部から前記角部の頂点までの長さをＬ１とし、前記第２面の前記第２起点部から前記頂点までの長さをＬ２とするとき、０．７×Ｌ２≦Ｌ１≦１．３×Ｌ２の関係が成り立つことを特徴とする溶接部形成構造。
【請求項４】
請求項３記載の溶接部形成構造であって、前記Ｌ１と前記Ｌ２とが略等しいことを特徴とする溶接部形成構造。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の溶接部形成構造であって、
前記挿入口の径方向と前記第１面の面方向とがなす角度をγとし、前記挿入口の軸方向と前記第２面の面方向とがなす角度をδとするとき、０°＜γ＝δ＜４５°の関係が成り立つことを特徴とする溶接部形成構造。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載の溶接部形成構造において、
前記第１金属部材の内周面が該第１金属部材の軸方向に沿って延在する方向と、前記第１金属部材の前記基端側の端面である基端面が該第１金属部材の径方向に沿って延在する方向とが交差部で交差し、
前記第１金属部材の内周面の前記基端側の端部は、前記交差部と一致するか、又は前記交差部から前記第１金属部材の前記先端側に離間し、
前記基端面の、前記第１金属部材の径方向の中心側の端部は、前記交差部と一致するか、又は前記交差部から前記第１金属部材の径方向の外側に離間し、
前記第１金属部材の内周面の前記先端側の端部と前記交差部との距離をａとし、前記基端面の、前記第１金属部材の径方向の外側の端部と前記交差部との距離をｂとし、前記基端面の、前記第１金属部材の径方向の中心側の端部と前記交差部との距離をｃとするとき、ｂ／ａ≧１、ｂ／３≧ｃ≧０の全てを満足する関係が成り立つことを特徴とする溶接部形成構造。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１項に記載の溶接部形成構造において、
前記第１金属部材は鉄系材料からなり、前記第２金属部材はアルミニウム系材料からなることを特徴とする溶接部形成構造。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか１項に記載の溶接部形成構造において、
前記第１金属部材は、バルブシートであり、
前記第２金属部材は、シリンダヘッド本体であり、
前記挿入口は、前記シリンダヘッド本体に設けられたポートの開口周縁部であることを特徴とする溶接部形成構造。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか１項に記載の溶接部形成構造から前記溶接部を形成して前記第１金属部材と前記第２金属部材とを接合する金属部材の接合方法であって、
前記第１接合面に、前記角部の前記頂点を当接させる工程と、
前記第１金属部材及び前記第２金属部材に圧接荷重を加えつつ通電することで、溶融した前記凸部を前記第１接合面と前記第２接合面との間から排出しながら、前記第１金属部材と前記第２金属部材とを近接させ、前記第１接合面と前記第２接合面とを接触させる工程と、
を有することを特徴とする金属部材の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１金属部材と第２金属部材とを接合する溶接部を形成するための溶接部形成構造及び該溶接部形成構造から溶接部を形成して第１金属部材と第２金属部材とを接合する金属部材の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、形状の設計自由度が低い圧入や、使用可能な材料が制限され且つ製造効率が低いレーザクラッド等の方法によらず、抵抗溶接により第１金属部材と第２金属部材との溶接部を形成することが開示されている。具体的には、円環状の第１金属部材を第２金属部材に設けられた挿入口に挿入し、第１金属部材の第１接合面と、第２金属部材の第２接合面とを圧接しつつ通電を行う。これによって、第１接合面と第２接合面とを接合する溶接部が形成される。
【０００３】
ところで、第１金属部材及び第２金属部材は、少なくとも加工公差の範囲内で形状にばらつきが生じている場合がある。この形状のばらつき等の影響により、第１金属部材及び第２金属部材ごとに、第１接合面と第２接合面とを当接させた際の接触面積がばらつくと、接触抵抗に基づく発熱量にもばらつきが生じる。その結果、第１金属部材と第２金属部材との接合強度がばらついてしまい、溶接部による接合品質を良好に維持することが困難になる懸念がある。
【０００４】
そこで、特許文献１には、第２接合面に円環状の凸部を設け、該凸部の頂点を第１接合面と線接触させることが提案されている。上記の形状のばらつきが生じていても、線接触する凸部の頂点と第１接合面との接触面積であれば容易に一定に維持することができるため、接触抵抗に基づく発熱量にばらつきが生じることが抑制されるとのことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０９−７９０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
凸部と第１接合面とは、当接当初は線接触するが、抵抗溶接が進行して凸部が溶融すると、該凸部の溶融面と第１接合面との面接触になる。さらに、溶融した凸部が第１接合面と第２接合面との間から排出されながら抵抗溶接が進行し、最終的には、第１接合面と第２接合面とが接触して溶接部が形成される。
【０００７】
このように抵抗溶接の進行に応じて、凸部と第１接合面との接触面積等が変化する。このため、単に第２接合面に凸部を設けるのみでは、抵抗溶接を開始してから終了するまでの間、第１金属部材と第２金属部材とを良好に接触させた状態で維持したり、接触面の全体を均等に加熱したりすることができない場合がある。結局、第１金属部材と第２金属部材との接合強度にばらつきが生じる懸念を払拭できず、依然として、溶接部による接合品質を良好に維持することは困難である。
【０００８】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、第１金属部材と第２金属部材を良好に接合可能な溶接部を形成することができる溶接部形成構造及び金属部材の接合方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明は、円環状の第１金属部材と、該第１金属部材が挿入される挿入口を有する第２金属部材とを接合する溶接部を形成するための溶接部形成構造であって、前記第１金属部材は、前記挿入口の軸方向の一端側から他端側に向かって挿入され、該第１金属部材の外周面には、前記挿入口への挿入方向の先端側から基端側に向かって拡径するテーパ状の第１接合面が設けられ、前記挿入口の内周面には、前記第１接合面と溶接部を形成可能な第２接合面から突出する円環状の凸部と、前記第２接合面の前記凸部が立ち上がる前記一端側の第１起点部から前記挿入口の前記一端側に向かって前記挿入口を拡径する方向に延在するテーパ状の第１テーパ面と、前記第２接合面の前記凸部が立ち上がる前記他端側の第２起点部から前記挿入口の前記他端側に向かって前記挿入口を縮径する方向に延在するテーパ状の第２テーパ面とが設けられ、前記凸部は、前記第１起点部から前記挿入口の径方向の中心側に向かって延在する第１面と、前記第２起点部から前記第１面の延在端部に向かって延在して前記第１面と角部を形成する第２面と、を有し、前記角部の頂点と前記第１起点部との前記径方向の距離をＡとし、前記頂点と前記第２起点部との前記径方向の距離をＢとするとき、Ａ＞０、Ａ≧Ｂ、Ｂ≧０の全てを満足する関係が成り立ち、且つ前記第１接合面が前記第１金属部材の軸方向となす角度と、前記第１起点部と前記第２起点部を最短距離で結ぶ前記第２接合面が前記挿入口の軸方向となす角度とが等しいことを特徴とする。
【００１０】
この溶接部形成構造では、第２金属部材の第２接合面に凸部が設けられているため、該凸部の頂点を第１接合面に線接触させた状態で、第１金属部材及び第２金属部材に圧接荷重を加えつつ通電を行って抵抗溶接を開始することができる。このため、第１金属部材及び第２金属部材に形状のばらつきが生じていた場合であっても、当接当初の第１金属部材と第２金属部材との接触面積がばらつくことを抑制できる。
【００１１】
また、この溶接部形成構造では、上記の関係を満足するように凸部の形状を設定し、且つ第１接合面が第１金属部材の軸方向となす角度と、第２接合面が挿入口の軸方向となす角度とが等しくなるように設定している。これによって、凸部を溶融させながら抵抗溶接を進行させても、前記第１接合面と第２接合面とが接触するまでの間に、挿入口の径方向における第１金属部材と第２金属部材との接触面中心が、凸部の頂点と第１接合面との当初接触位置から、該径方向の中心側に移動することを回避できる。このため、抵抗溶接時の圧接荷重により第１金属部材に変形が生じることを抑制できる。
【００１２】
従って、この溶接部形成構造によれば、第１金属部材及び第２金属部材に形状のばらつき等が生じているか否かに関わらず、抵抗溶接を開始してから終了するまでの間、第１金属部材と第２金属部材とを良好に接触させることができる。これによって、第１金属部材と第２金属部材との接合強度がばらつくことを抑制できるため、溶接部による接合品質を良好に維持することができる。換言すれば、第１金属部材と第２金属部材を良好に接合可能な溶接部を形成することができる。
【００１３】
本発明は、円環状の第１金属部材と、該第１金属部材が挿入される挿入口を有する第２金属部材とを接合する溶接部を形成するための溶接部形成構造であって、前記第１金属部材は、前記挿入口の軸方向の一端側から他端側に向かって挿入され、該第１金属部材の外周面には、前記挿入口への挿入方向の先端側から基端側に向かって拡径するテーパ状の第１接合面が設けられ、前記挿入口の内周面には、前記第１接合面と溶接部を形成可能な第２接合面から突出する円環状の凸部と、前記第２接合面の前記凸部が立ち上がる前記一端側の第１起点部から前記挿入口の前記一端側に向かって前記挿入口を拡径する方向に延在するテーパ状の第１テーパ面と、前記第２接合面の前記凸部が立ち上がる前記他端側の第２起点部から前記挿入口の前記他端側に向かって前記挿入口を縮径する方向に延在するテーパ状の第２テーパ面とが設けられ、前記凸部は、前記第１起点部から前記挿入口の径方向の中心側に向かって延在する第１面と、前記第２起点部から前記第１面の延在端部に向かって延在して前記第１面と角部を形成する第２面と、を有し、前記角部の内角側で、前記角部の頂点を通って前記挿入口の軸方向に沿う基準線と前記第１面とがなす角度をαとし、前記基準線と前記第２面とがなす角度をβとするとき、α＞０、α≧β、β≧０の全てを満足する関係が成り立ち、且つ前記第１接合面が前記第１金属部材の軸方向となす角度と、前記第１起点部と前記第２起点部を最短距離で結ぶ前記第２接合面が前記挿入口の軸方向となす角度とが等しいことを特徴とする。
【００１４】
この溶接部形成構造においても、第１金属部材及び第２金属部材に形状のばらつき等が生じているか否かに関わらず、抵抗溶接を開始してから終了するまでの間、第１金属部材と第２金属部材とを良好に接触させることができる。その結果、第１金属部材と第２金属部材を良好に接合可能な溶接部を形成することができる。
【００１５】
本発明は、円環状の第１金属部材と、該第１金属部材が挿入される挿入口を有する第２金属部材とを接合する溶接部を形成するための溶接部形成構造であって、前記第１金属部材は、前記挿入口の軸方向の一端側から他端側に向かって挿入され、該第１金属部材の外周面には、前記挿入口への挿入方向の先端側から基端側に向かって拡径するテーパ状の部分を有する第１接合面が設けられ、前記挿入口の内周面には、前記第１接合面と溶接部を形成可能な第２接合面から突出する円環状の凸部が設けられ、前記凸部は、前記第２接合面の前記凸部が立ち上がる前記一端側の第１起点部から前記挿入口の径方向の中心側に向かって延在する第１面と、前記第２接合面の前記凸部が立ち上がる前記他端側の第２起点部から前記第１面の延在端部に向かって延在して前記第１面と角部を形成する第２面と、を有し、前記挿入口の軸に沿う断面で前記第１面の前記第１起点部から前記角部の頂点までの長さをＬ１とし、前記第２面の前記第２起点部から前記頂点までの長さをＬ２とするとき、０．７×Ｌ２≦Ｌ１≦１．３×Ｌ２の関係が成り立つことを特徴とする。
【００１６】
この溶接部形成構造では、第２金属部材の第２接合面に凸部が設けられていることで、第１金属部材及び第２金属部材に形状のばらつきが生じていた場合であっても、当接当初の第１金属部材と第２金属部材との接触面積がばらつくことを抑制できる。
【００１７】
また、この溶接部形成構造では、上記のように凸部の形状を設定することで、凸部を溶融させながら抵抗溶接を進行させても、電流の経路の長さ（通電距離）が、凸部の部分ごとにばらつくことを抑制できる。このため、抵抗溶接時に第１金属部材と第２金属部材との接触面内に温度差が生じることを抑制できる。
【００１８】
従って、この溶接部形成構造によれば、第１金属部材及び第２金属部材に形状のばらつき等が生じているか否かに関わらず、抵抗溶接を開始してから終了するまでの間、第１金属部材と第２金属部材との接触面を略均等に加熱することができる。その結果、第１金属部材と第２金属部材との接合強度がばらつくことを抑制して、溶接部による接合品質を良好に維持することが可能になる。換言すれば、第１金属部材と第２金属部材を良好に接合可能な溶接部を形成することができる。
【００１９】
上記の溶接部形成構造において、前記Ｌ１と前記Ｌ２とが略等しくてもよい。この場合、簡単な構成で、第１金属部材と第２金属部材を良好に接合可能な溶接部を形成することができる。
【００２０】
上記の溶接部形成構造において、前記挿入口の径方向と前記第１面の面方向とがなす角度をγとし、前記挿入口の軸方向と前記第２面の面方向とがなす角度をδとするとき、０°＜γ＝δ＜４５°の関係が成り立つことが好ましい。この場合、抵抗溶接の際に、第１接合面と第２接合面との間から排出される溶融した凸部の量を低減させることができる。これによって、溶接部を形成するために必要なエネルギを低減させることが可能になる。
【００２１】
上記の溶接部形成構造において、前記第１金属部材の内周面が該第１金属部材の軸方向に沿って延在する方向と、前記第１金属部材の前記基端側の端面である基端面が該第１金属部材の径方向に沿って延在する方向とが交差部で交差し、前記第１金属部材の内周面の前記基端側の端部は、前記交差部と一致するか、又は前記交差部から前記第１金属部材の前記先端側に離間し、前記基端面の、前記第１金属部材の径方向の中心側の端部は、前記交差部と一致するか、又は前記交差部から前記第１金属部材の径方向の外側に離間し、前記第１金属部材の内周面の前記先端側の端部と前記交差部との距離をａとし、前記基端面の、前記第１金属部材の径方向の外側の端部と前記交差部との距離をｂとし、前記基端面の、前記第１金属部材の径方向の中心側の端部と前記交差部との距離をｃとするとき、ｂ／ａ≧１、ｂ／３≧ｃ≧０の全てを満足する関係が成り立つことが好ましい。
【００２２】
この場合、圧接荷重に対する第１金属部材の剛性を良好に高めることができるため、抵抗溶接時に第１金属部材が変形することをより効果的に抑制できる。その結果、第１金属部材と第２金属部材とを良好に接触させつつ抵抗溶接を行うことができるため、溶接部による接合品質を一層高めることができる。
【００２３】
上記の溶接部形成構造において、前記第１金属部材は鉄系材料からなり、前記第２金属部材はアルミニウム系材料からなることが好ましい。例えば、レーザクラッド法により、第２接合面に第１金属部材を肉盛りして溶接部を形成する構造では、第１金属部材及び第２金属部材として適用可能な材料の制約が大きい。しかしながら、本発明に係る溶接部形成構造では、第１金属部材及び第２金属部材として、抵抗溶接可能な種々の材料を用いることができるため、第１金属部材が鉄系材料からなり、且つ第２金属部材がアルミニウム系材料からなる場合であっても、溶接部を良好に形成することができる。鉄系材料を用いることで第１金属部材の耐摩耗性を向上させること等が可能になり、アルミニウム系材料を用いることで第２金属部材の軽量化を図ること等が可能になる。
【００２４】
上記の溶接部形成構造において、前記第１金属部材は、バルブシートであり、前記第２金属部材は、シリンダヘッド本体であり、前記挿入口は、前記シリンダヘッド本体に設けられたポートの開口周縁部であることが好ましい。この溶接部形成構造では、抵抗溶接による溶接部を形成して、バルブシートの第１接合面と、シリンダヘッド本体の第２接合面とを接合することが可能である。このため、バルブシートとシリンダヘッド本体とを圧入や、焼きばめ等により接合する場合とは異なり、小さな固定スペースで十分な接合強度を得ることができる。つまり、バルブシートの厚さを小さくすることができる分、ポートの形状の自由度を向上させたり、バルブシートのバルブ当接面と冷却ジャケットとの距離を短くして、バルブ等の冷却効率を高めたりすることが可能になる。
【００２５】
さらに、本発明は、上記の溶接部形成構造から前記溶接部を形成して前記第１金属部材と前記第２金属部材とを接合する金属部材の接合方法であって、前記第１接合面に、前記角部の前記頂点を当接させる工程と、前記第１金属部材及び前記第２金属部材に圧接荷重を加えつつ通電することで、溶融した前記凸部を前記第１接合面と前記第２接合面との間から排出しながら、前記第１金属部材と前記第２金属部材とを近接させ、前記第１接合面と前記第２接合面とを接触させる工程と、を有することを特徴とする。
【００２６】
この金属部材の接合方法によれば、第１金属部材及び第２金属部材に形状のばらつき等が生じているか否かに関わらず、第１金属部材と第２金属部材とを良好に接触させながら加熱して接合品質に優れた溶接部を形成することができる。その結果、第１金属部材と第２金属部材を良好に接合して接合体を得ることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の溶接部形成構造及び金属部材の接合方法によれば、第１金属部材と第２金属部材を良好に接合可能な溶接部を形成して、接合強度に優れる接合体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る溶接部形成構造のバルブシート（第１金属部材）及びシリンダヘッド本体（第２金属部材）の断面図である。
【図２】図１のバルブシートの要部拡大図である。
【図３】図１のシリンダヘッド本体の要部拡大図である。
【図４】図１の溶接部形成構造を適用して得られたシリンダヘッドの要部概略断面図である。
【図５】図２のバルブシートの第１接合面と、図３のシリンダヘッド本体の第２接合面に設けられた凸部とを当接させた様子を説明する説明図である。
【図６】図５の凸部を溶融させて、バルブシートとシリンダヘッド本体を近接させた様子を説明する説明図である。
【図７】図６のバルブシートとシリンダヘッド本体をさらに近接させて、第１接合面と第２接合面を接合する溶接部を形成した様子を説明する説明図である。
【図８】溶接部が形成される前のバルブシートとの関係で、図５の接触位置Ｐ１、図６の接触面中心Ｐ２、図７の接触面中心Ｐ３の位置を説明する説明図である。
【図９】接触面中心Ｐ２の接触位置Ｐ１からの径方向における変位量と、圧接荷重による第１接合面の変形量との関係を示すグラフである。
【図１０】第１実施形態の変形例に係るバルブシートの要部拡大図である。
【図１１】図１１Ａは、第１実施形態の変形例に係るシリンダヘッド本体の要部拡大図であり、図１１Ｂは、他の変形例に係るシリンダヘッド本体の要部拡大図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る溶接部形成構造のバルブシート及びシリンダヘッド本体の断面図である。
【図１３】図１２のシリンダヘッド本体の要部拡大図である。
【図１４】図１２のバルブシートの第１接合面に、シリンダヘッド本体の第２接合面に設けられた凸部を当接させた様子を説明する説明図である。
【図１５】図１４の凸部を溶融させて、バルブシートとシリンダヘッド本体を近接させた様子を説明する説明図である。
【図１６】図１５のバルブシートとシリンダヘッド本体をさらに近接させて、第１接合面と第２接合面を接合する溶接部を形成した様子を説明する説明図である。
【図１７】図１７Ａは、実施例１、２の変位量測定試験の結果を示すグラフであり、図１７Ｂは、実施例１、２の接合強度測定試験の結果を示すグラフである。
【図１８】図１８Ａは、実施例３、４の変位量測定試験の結果を示すグラフであり、図１８Ｂは、実施例３、４の接合強度測定試験の結果を示すグラフである。
【図１９】実施例５、６の接合強度測定試験の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明に係る溶接部形成構造及び金属部材の接合方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の図において、同一又は同様の機能及び効果を奏する構成要素に対しては同一の参照符号を付し、繰り返しの説明を省略する場合がある。
【００３０】
以下では、図１〜図４に示すように、第１実施形態に係る溶接部形成構造１０が、バルブシート１２である第１金属部材１４と、シリンダヘッド本体１６である第２金属部材１８とを接合する溶接部２０（図４参照）を形成するためのものである例について説明する。すなわち、第１実施形態に係る金属部材の接合方法（以下、単に接合方法ともいう）によって、溶接部形成構造１０から溶接部２０を形成し、バルブシート１２とシリンダヘッド本体１６とを接合することで、図４に示すシリンダヘッド２２が得られる。
【００３１】
しかしながら、本発明に係る溶接部形成構造１０を適用することが可能な第１金属部材１４及び第２金属部材１８は、バルブシート１２及びシリンダヘッド本体１６に限定されるものではない。円環状の第１金属部材１４と、該第１金属部材１４が挿入される挿入口２４を有する第２金属部材１８であって、抵抗溶接が可能な材料からなるものであれば、バルブシート１２及びシリンダヘッド本体１６と同様に溶接部形成構造１０を適用することができる。
【００３２】
先ず、図４を参照しつつ、溶接部２０を形成した後のバルブシート１２及びシリンダヘッド本体１６を有するシリンダヘッド２２について説明する。バルブシート１２は、例えば、鋼材等の鉄系材料の焼結体からなる環状体である。なお、バルブシート１２は、さらに、銅系材料等の高電気伝導率材料を含んでいてもよい。
【００３３】
シリンダヘッド本体１６は、例えば、純アルミニウムや、アルミニウム合金等のアルミニウム系材料からなる。シリンダヘッド本体１６には、一端側が燃焼室２６に向かってそれぞれ開口する吸気ポート２８及び排気ポート３０（以下、これらを総称してポートともいう）が形成されている。これらのポートの開口周縁部３２が挿入口２４となり、バルブシート１２は開口周縁部３２にそれぞれ挿入された状態でシリンダヘッド本体１６と溶接部２０を介して接合されている。具体的には、バルブシート１２の外周面３３に設けられた第１接合面３４と、開口周縁部３２の内周面に設けられた第２接合面３６とが溶接部２０を形成している。
【００３４】
シリンダヘッド本体１６の開口周縁部３２に接合されたバルブシート１２のバルブ当接面３８に対して、バルブ４０が着座又は離間することにより、ポートのそれぞれが開閉可能となっている。また、シリンダヘッド本体１６の吸気ポート２８と排気ポート３０との間には、冷却水を流通させる冷却ジャケット４２が設けられ、バルブ４０の熱を、バルブシート１２及びシリンダヘッド本体１６を介して冷却ジャケット４２に伝達することで、バルブ４０等を良好に冷却することが可能になっている。
【００３５】
次に、図１〜図３を参照しつつ、上記の溶接部２０を形成するための溶接部形成構造１０について説明する。つまり、溶接部２０を形成する前のバルブシート１２及びシリンダヘッド本体１６について説明する。なお、図１に示す開口周縁部３２とバルブシート１２は、互いの軸方向（矢印Ｘ１、Ｘ２方向）が一致し、且つ互いの径方向（矢印Ｙ方向）が平行となるように配置されている。また、バルブシート１２は、開口周縁部３２の軸方向の一端側（矢印Ｘ１側、以下単に一端側ともいう）から他端側（矢印Ｘ２側、以下単に他端側ともいう）に向かって挿入される。
【００３６】
以下では、バルブシート１２について、該バルブシート１２を開口周縁部３２に挿入する際の挿入方向（矢印Ｘ２方向）の先端側（矢印Ｘ２側）を単に先端側ともいい、基端側（矢印Ｘ１側）を単に基端側ともいう。また、バルブシート１２及び開口周縁部３２の径方向（矢印Ｙ方向）の外側を単に外側ともいい、中心側を単に中心側ともいう。
【００３７】
図１及び図２に示すように、バルブシート１２の先端面４４は、先端側から基端側に向かって拡径するテーパ状となっている。バルブシート１２の外周面３３には、先端側から基端側に向かって拡径するテーパ状の第１接合面３４が設けられている。バルブシート１２の内周面４８は、軸方向に沿って延在し、バルブシート１２の基端面５０は、該バルブシート１２の径方向に沿って延在する。
【００３８】
図２に示すように、バルブシート１２の内周面４８の延在方向と、バルブシート１２の基端面５０の延在方向とは交差部Ｚで交差する。本実施形態では、交差部Ｚは、バルブシート１２の内周面４８の基端側の端部５２、及び基端面５０の中心側の端部５４の両方と一致する。
【００３９】
バルブシート１２では、内周面４８の先端側の端部５６と交差部Ｚとの距離をａとし、基端面５０の外側の端部５６と交差部Ｚとの距離をｂとし、基端面５０の中心側の端部５４と交差部Ｚとの距離をｃ（図１０参照）とするとき、ｂ／ａ≧１、ｂ／３≧ｃ≧０の全てを満足する関係が成り立つ。本実施形態では、上記の通り、基端面５０の中心側の端部５４と交差部Ｚとが一致するため、ｃ＝０である。
【００４０】
図１及び図３に示すように、開口周縁部３２の内周面には、凸部５８と、第１テーパ面６０と、第２テーパ面６２とが設けられている。凸部５８は、上記の通り、バルブシート１２の第１接合面３４と溶接部２０（図４参照）を形成可能である第２接合面３６から円環状に突出する。第１テーパ面６０は、第２接合面３６の凸部５８が立ち上がる一端側の第１起点部６４から軸方向の一端側に向かって開口周縁部３２を拡径する方向に延在するテーパ状である。第２テーパ面６２は、第２接合面３６の凸部５８が立ち上がる他端側の第２起点部６６から軸方向の他端側に向かって開口周縁部３２を縮径する方向に延在するテーパ状である。
【００４１】
図３に示すように、凸部５８は、第１起点部６４から開口周縁部３２の径方向の中心側に向かって延在する第１面６８と、第２起点部６６から第１面６８の延在端部に向かって延在して第１面６８と角部を形成する第２面７０とを有する。角部の頂点７２と第１起点部６４との径方向の距離をＡとし、頂点７２と第２起点部６６との径方向の距離をＢとするとき、Ａ＞０、Ａ≧Ｂ、Ｂ≧０の全てを満足する関係が成り立つ。また、角部の内角側で、頂点７２を通って開口周縁部３２の軸方向に沿う基準線Ｌと第１面６８とがなす角度をαとし、基準線Ｌと第２面７０とがなす角度をβとするとき、α＞０、α≧β、β≧０の全てを満足する関係が成り立つ。
【００４２】
図１に示す通り、バルブシート１２及び開口周縁部３２について、第１接合面３４がバルブシート１２の軸方向となす角度をθ１とし、第１起点部６４と第２起点部６６を最短距離で結ぶ第２接合面３６が開口周縁部３２の軸方向となす角度をθ２とするとき、θ１とθ２が等しくなるように設定されている。なお、ここでのθ１とθ２を等しくする設定には、θ１とθ２とを略等しくする場合も含まれる。
【００４３】
バルブシート１２の先端面４４及び開口周縁部３２の第２テーパ面６２は、互いのテーパ角度を略等しくすること等によって、先端面４４と第２テーパ面６２とが当接したときに、バルブシート１２とシリンダヘッド本体１６とが所望の接合位置関係となるように各々の形状が設定されている。
【００４４】
次に、図５〜図８を併せて参照しつつ、上記の溶接部形成構造１０から溶接部２０を形成してバルブシート１２とシリンダヘッド本体１６とを接合する接合方法について説明する。
【００４５】
この接合方法では、先ず、図５に示すように、電極７４と不図示の電極とからなる一組の電極間にバルブシート１２とシリンダヘッド本体１６をセットする。この際、バルブシート１２の先端面４４と開口周縁部３２の第２テーパ面６２とを間隔をおいて臨ませるとともに、第１接合面３４に凸部５８の頂点７２を当接させる。これによって第１接合面３４と頂点７２とが線接触した際の、開口周縁部３２の径方向における接触位置をＰ１とする。
【００４６】
一組の電極は、例えば、コンデンサを介して電源に接続されるとともに、加圧シリンダ等の駆動機構（何れも、不図示）によって、互いに近接又は離間する方向に駆動可能となっている。従って、この一組の電極を互いに近接する方向に駆動することで、バルブシート１２とシリンダヘッド本体１６に対して、互いに近接する方向に加圧力（圧接荷重）を加えることができる。このようにして圧接荷重を加えつつ、バルブシート１２及びシリンダヘッド本体１６に通電を行うことで、抵抗溶接を開始することができる。
【００４７】
すなわち、バルブシート１２とシリンダヘッド本体１６との接触部が、接触抵抗に基づいて発熱する。これによって、シリンダヘッド本体１６（凸部５８）の融点に達すると、凸部５８が溶融し始める。その結果、図６に示すように、溶融した凸部５８を、第１接合面３４と第２接合面３６との間から排出しながら、バルブシート１２とシリンダヘッド本体１６とを近接させることができる。この際、溶融した凸部５８と第１接合面３４とは面接触することになる。バルブシート１２とシリンダヘッド本体１６との接触面の径方向における中心（以下、単に接触面中心ともいう）Ｐ２は、当接当初の接触位置Ｐ１よりも径方向の外側に配置される。
【００４８】
図７に示すように、凸部５８の略全体が溶融すると、第１接合面３４と第２接合面３６とが接触して溶接部２０が形成されるとともに、先端面４４と第２テーパ面６２とが当接する。この際のバルブシート１２とシリンダヘッド本体１６との接触面中心Ｐ３は、接触面中心Ｐ２よりも径方向の中心側に配置される。
【００４９】
つまり、凸部５８を溶融させながら抵抗溶接を進行させても、図８の説明図に示すように、第１接合面３４と第２接合面３６とが接触するまでの間に、接触面中心Ｐ２が接触位置Ｐ１よりも径方向の中心側に移動することが回避されている。
【００５０】
また、先端面４４と第２テーパ面６２とが当接すると、それまでの第１接合面３４と凸部５８のみが接触していた場合に比べて、バルブシート１２とシリンダヘッド本体１６との接触面積が急増する。このため、バルブシート１２とシリンダヘッド本体１６との間に流れる単位面積あたりの電流値が小さくなる（接触抵抗が小さくなる）。これによって、バルブシート１２とシリンダヘッド本体１６の接触面の発熱量が低減する。その結果、シリンダヘッド本体１６を溶融させるために必要な熱量を得ることができなくなり、一時的にシリンダヘッド本体１６の溶融が停止する。
【００５１】
従って、先端面４４と第２テーパ面６２とが接触する直前、又は接触と同時のタイミングで通電を停止することで、シリンダヘッド本体１６がそれ以上溶融すること、換言すると、第２テーパ面６２が溶融することを回避できる。これによって、先端面４４と第２テーパ面６２とを当接させた状態で、抵抗溶接を終えることができる。
【００５２】
上記の通り、先端面４４及び第２テーパ面６２は、互いに当接したときに、バルブシート１２とシリンダヘッド本体１６とが所望の位置関係となるように各々の形状が設定されている。このため、上記のようにして、溶接部２０を形成することで、バルブシート１２とシリンダヘッド本体１６とを所望の位置関係で接合することができる。その後、バルブシート１２に機械加工を施して、バルブ当接面３８を形成することにより、シリンダヘッド２２が得られる（図４参照）。つまり、このシリンダヘッド２２では、第１接合面３４と第２接合面３６とによって溶接部２０が形成され、且つ先端面４４と第２テーパ面６２との間は互いに当接するのみの非溶融部位となる。
【００５３】
次に、第１実施形態に係る溶接部形成構造１０及び接合方法の作用効果を説明する。溶接部形成構造１０では、上記の通り、開口周縁部３２の第２接合面３６に凸部５８が設けられているため、凸部５８の頂点７２を第１接合面３４に線接触させた状態で、抵抗溶接を開始できる。これによって、バルブシート１２及びシリンダヘッド本体１６に形状のばらつきが生じていた場合であっても、当接当初のバルブシート１２とシリンダヘッド本体１６との接触面積がばらつくことを抑制できる。
【００５４】
また、溶接部形成構造１０では、Ａ＞０、Ａ≧Ｂ、Ｂ≧０の全てを満足する関係、又はα＞０、α≧β、β≧０の全てを満足する関係が成り立つように凸部５８の形状を設定し、且つθ１とθ２が等しくなるようにバルブシート１２及びシリンダヘッド本体１６の形状を設定している。これによって、上記の通り、凸部５８を溶融させながら抵抗溶接を進行させても、第１接合面３４と第２接合面３６とが接触するまでの間に、接触面中心Ｐ２が、接触位置Ｐ１よりも径方向の中心側に移動することを回避できる。その結果、抵抗溶接時の圧接荷重によりバルブシート１２が変形することを効果的に抑制できる。
【００５５】
このことは、図９に示すグラフからも明らかである。このグラフの横軸は、接触位置Ｐ１に対する接触面中心Ｐ２の径方向における変位量を示す。また、このグラフの縦軸は、基準位置に対する第１接合面３４の基端側の端部７６（図２、５等参照）の径方向における変位量を示す。基準位置とは、第１接合面３４と頂点７２とを当接させた当初における端部７６の径方向の位置（図５参照）である。すなわち、縦軸に示す値により、圧接荷重によるバルブシート１２の第１接合面３４の変形量が分かる。
【００５６】
図９から、接触面中心Ｐ２が径方向の中心側に移動するほど、第１接合面３４の端部７６が径方向の外側に大きく変位すること、すなわち、バルブシート１２の基端側が径方向の外側に向かって大きく撓むことが分かる。一方、接触面中心Ｐ２が径方向の外側に移動した場合に、第１接合面３４の端部７６が径方向の中心側に変位する量は、接触面中心Ｐ２が径方向の中心側に移動した場合の端部７６の変位量よりも大幅に小さい。つまり、接触面中心Ｐ２が径方向の中心側に移動することを回避することで、バルブシート１２の変形を抑制できることが分かる。
【００５７】
また、溶接部形成構造１０では、ｂ／ａ≧１、ｂ／３≧ｃ≧０の全てを満足する関係が成り立つようにバルブシート１２の形状を設定している。これによって、圧接荷重に対するバルブシート１２の剛性を良好に高めることができるため、抵抗溶接時にバルブシート１２が変形することをより効果的に抑制できる。
【００５８】
以上から、バルブシート１２及びシリンダヘッド本体１６の形状にばらつきが生じているか否かに関わらず、抵抗溶接を開始してから終了するまでの間、バルブシート１２とシリンダヘッド本体１６とを良好に接触させることができる。これによって、バルブシート１２とシリンダヘッド本体１６との接合強度がばらつくことを抑制できるため、溶接部２０による接合品質を良好に維持することができる。その結果、接合強度に優れた溶接部２０を形成することができる。
【００５９】
ところで、例えば、レーザクラッド法により、第２接合面３６にバルブシート１２を肉盛りして溶接部２０を形成する構造では、バルブシート１２及びシリンダヘッド本体１６として適用可能な材料の制約が大きい。しかしながら、溶接部形成構造１０では、バルブシート１２及びシリンダヘッド本体１６として、抵抗溶接可能な種々の材料を用いることができる。このため、上記の通り、バルブシート１２が鉄系材料からなり、シリンダヘッド本体１６がアルミニウム系材料からなる場合であっても、溶接部２０を良好に形成することができる。鉄系材料を用いることでバルブシート１２の耐摩耗性を向上させること等が可能になり、アルミニウム系材料を用いることでシリンダヘッド本体１６の軽量化を図ること等が可能になる。
【００６０】
溶接部形成構造１０では、抵抗溶接によって溶接部２０を形成して、バルブシート１２の第１接合面３４と、シリンダヘッド本体１６の第２接合面３６とを接合することが可能である。このため、バルブシート１２とシリンダヘッド本体１６とを圧入や、焼きばめ等により接合する場合とは異なり、小さな固定スペースで十分な接合強度を得ることができる。つまり、バルブシート１２の厚さを小さくすることができる分、ポートの形状の自由度を向上させたり、バルブシート１２のバルブ当接面３８と冷却ジャケット４２との距離を短くして、バルブ４０等の冷却効率を高めたりすることが可能になる（図４参照）。
【００６１】
なお、第１実施形態に係る溶接部形成構造１０では、バルブシート１２は、図２に示す形状に限定されるものではなく、θ１がθ２（図１参照）と等しくなる範囲で種々の変形が可能である。例えば、図１０に示すバルブシート７８のように、内周面４８の基端側及び基端面５０の中心側に切欠８０を設けてもよい。このバルブシート７８では、上記のバルブシート１２と異なり、内周面４８の基端側の端部５２が交差部Ｚから先端側に離間し、基端面５０の中心側の端部５４が交差部Ｚから外側に離間するためｃ＞０となる。この場合も、ｂ／ａ≧１、ｂ／３≧ｃ＞０の全てを満足する関係が成り立つことが好ましい。これによって、上記のバルブシート１２と同様に、圧接荷重に対するバルブシート７８の剛性を良好に高めることができるため、抵抗溶接時にバルブシート７８が変形することをより効果的に抑制することが可能になる。
【００６２】
また、シリンダヘッド本体１６の開口周縁部３２に設けられる凸部５８は、図３に示す形状に限定されるものではなく、Ａ＞０、Ａ≧Ｂ、Ｂ≧０の全てを満足する関係又はα＞０、α≧β、β≧０の全てを満足する関係が成り立つ範囲で種々の変形が可能である。例えば、図１１Ａに示す凸部８２のように、Ｂ＝０としてもよい。この場合、β＝０となり、α＝９０°となる。また、図１１Ｂに示す凸部８４のように、第１面６８を、頂点７２から第１起点部６４に向かって開口周縁部３２を拡径する方向に延在するテーパ状としてもよい。
【００６３】
シリンダヘッド本体１６に図１１Ａ及び図１１Ｂに示す形状の凸部８２、８４が設けられた場合であっても、上記の凸部５８が設けられた場合と同様の作用効果が得られる。すなわち、バルブシート１２及びシリンダヘッド本体１６の形状がばらついても、接合強度に優れた溶接部２０を形成することができる。
【００６４】
次に、図１２〜図１６を参照しつつ、第２実施形態に係る溶接部形成構造１００について説明する。第１実施形態と同様に、第２実施形態においても、溶接部形成構造１００が、バルブシート１０２である第１金属部材１０４と、シリンダヘッド本体１０６である第２金属部材１０８とを接合する溶接部１１０（図１６参照）を形成するためのものである例について説明するが、特にこれらに限定されるものではない。
【００６５】
つまり、第２実施形態に係る接合方法によっても、溶接部形成構造１００から溶接部１１０を形成し、バルブシート１０２とシリンダヘッド本体１０６とを接合することでシリンダヘッド（不図示）が得られる。このシリンダヘッドは、図１や図７等に示すバルブシート１２、シリンダヘッド本体１６、溶接部２０のそれぞれに代えて、図１２や図１６等に示すバルブシート１０２、シリンダヘッド本体１０６、溶接部１１０を備えることを除いて、上記のシリンダヘッド２２と同様に構成されるため、その詳細な説明を省略する。
【００６６】
バルブシート１０２は、先端面１１２及び外周面１１４の形状を除いてバルブシート１２（図１参照）と同様に構成される。なお、バルブシート１０２は、先端面１１２及び外周面１１４の形状を除いてバルブシート７８（図１０参照）と同様に構成されてもよい。
【００６７】
先端面１１２の面方向は、バルブシート１０２の径方向に沿う。バルブシート１０２の外周面１１４には、互いに面方向が異なる第１テーパ状部１１６と第２テーパ状部１１８とが設けられる。第１テーパ状部１１６及び第２テーパ状部１１８の各々は、先端側から基端側に向かって拡径するテーパ状である。第１テーパ状部１１６は、第２テーパ状部１１８よりも先端側に配置され、第１テーパ状部１１６の基端と第２テーパ状部１１８の先端とが一致する。第１テーパ状部１１６の先端は、先端面１１２の外側の端部と一致する。図１６に示すように、バルブシート１０２では、先端面１１２の外側の一部と、第１テーパ状部１１６の全体と、第２テーパ状部１１８の他端側（矢印Ｘ２側）の一部とが第１接合面１２０となる。
【００６８】
なお、バルブシート１０２の外周面１１４の形状は上記に限定されるものではない。互いに面方向が異なる２個の第１テーパ状部１１６及び第２テーパ状部１１８に代えて１個のテーパ状部が設けられていてもよいし、３個以上のテーパ状部が設けられていてもよい。また、第１接合面１２０の形状も上記に限定されるものではない。第１接合面１２０は、バルブシート１０２の外周面１１４の少なくとも一部に設けられていればよい。
【００６９】
シリンダヘッド本体１０６は、開口周縁部３２の内周面の形状を除いてシリンダヘッド本体１６と同様に構成されている。図１２及び図１３に示すように、バルブシート１０２と接合する前のシリンダヘッド本体１０６では、開口周縁部３２の内周面に、バルブシート１０２の第１接合面１２０と溶接部１１０（図１６参照）を形成可能である第２接合面１２２から円環状に突出する凸部１２４と、テーパ面１２６とが設けられる。
【００７０】
図１６に示すように、第２接合面１２２は、溶接部１１０を形成した際に、バルブシート１０２の第１接合面１２０に沿うことが可能な形状である。また、第２実施形態に係るシリンダヘッド本体１０６では、第２接合面１２２の径方向の中心側の端部から他端側がポートの内周面となっている。
【００７１】
図１３に示すように、テーパ面１２６は、第２接合面１２２の凸部１２４が立ち上がる一端側（矢印Ｘ１側）の第１起点部１２８からさらに一端側に向かって開口周縁部３２を拡径する方向に延在するテーパ状である。また、図１６に示すように、テーパ面１２６と、バルブシート１０２の第２テーパ状部１１８は、例えば、互いのテーパ角度を略等しくすること等によって、テーパ面１２６と第２テーパ状部１１８とが当接したときに、バルブシート１０２とシリンダヘッド本体１０６とが所望の接合位置関係となるように各々の形状が設定されている。図１３に示すように、第２接合面１２２の凸部１２４が立ち上がる他端側の第２起点部１３０は、第２接合面１２２の中心側の端部と一致する。
【００７２】
凸部１２４は、第１起点部１２８から中心側に向かって延在する第１面１３２と、第２起点部１３０から第１面１３２の延在端部に向かって延在して第１面１３２と角部を形成する第２面１３４とを有する。開口周縁部３２（挿入口２４）の軸方向に沿った断面で、第１面１３２の第１起点部１２８から角部の頂点１３６までの長さをＬ１とし、第２面１３４の第２起点部１３０から頂点１３６までの長さをＬ２とするとき、０．７×Ｌ２≦Ｌ１≦１．３×Ｌ２の関係が成り立つ。Ｌ１とＬ２は略等しくてもよい。
【００７３】
なお、後述するように、抵抗溶接により溶接部１１０を形成する際、シリンダヘッド本体１０６の外側は、中心側に比して溶接部１１０と電極７４との距離が近いため、電流が集中し易くなり発熱し易くなる。このため、抵抗溶接時にシリンダヘッド本体１０６の全体をより均等に発熱させるべく、Ｌ１に比してＬ２を僅かに小さくすることが好ましい。
【００７４】
また、凸部１２４では、開口周縁部３２の径方向と第１面１３２の面方向とがなす角度をγとし、開口周縁部３２の軸方向と第２面１３４の面方向とがなす角度をδとするとき、０°＜γ＝δ＜４５°の関係が成り立つように設定されていることが好ましい。
【００７５】
次に、上記の溶接部形成構造１００から溶接部１１０を形成してバルブシート１０２とシリンダヘッド本体１０６とを接合する接合方法について説明する。この接合方法では、先ず、図１４に示すように、電極７４と不図示の電極とからなる一組の電極間にバルブシート１０２とシリンダヘッド本体１０６をセットする。この際、バルブシート１０２の第２テーパ状部１１８と開口周縁部３２のテーパ面１２６とを間隔をおいて臨ませるとともに、第１テーパ状部１１６に凸部１２４の頂点１３６を当接させる。
【００７６】
次に、一組の電極を互いに近接する方向に駆動して、バルブシート１０２及びシリンダヘッド本体１０６に対して圧接荷重を加えながら通電を行うことで、抵抗溶接を開始する。これによって、バルブシート１０２とシリンダヘッド本体１０６との接触部が接触抵抗に基づいて発熱し、凸部１２４が溶融し始める。溶融した凸部１２４を、第１接合面１２０と第２接合面１２２との間から排出しながら、バルブシート１０２とシリンダヘッド本体１０６とを近接させると、図１５に示すように、溶融した凸部１２４と第１接合面１２０の第１テーパ状部１１６とが面接触することになる。
【００７７】
この際、上記のようにＬ１とＬ２の関係が設定されていることで、第１面１３２の溶融せずに残存している部分の長さＬ１ａと、第２面１３４の溶融せずに残存している部分の長さＬ２ａとを略等しい関係で維持したまま抵抗溶接を進行させることができる。なお、長さＬ１ａは、開口周縁部３２の軸方向に沿った断面において、残存している第１面１３２の第１起点部１２８から中心側の端部までの長さである。長さＬ２ａは、開口周縁部３２の軸方向に沿った断面において、残存している第２面１３４の第２起点部１３０から一端側の端部までの長さである。
【００７８】
特に、開口周縁部３２の軸方向に沿った断面において、第１面１３２の第１起点部１２８と第２面１３４の第２起点部１３０とを結ぶ面と開口周縁部３２の軸方向とがなす角度と、バルブシート１０２の第１テーパ状部１１６と開口周縁部３２の軸方向とがなす角度とが略等しいことが好ましい。
【００７９】
凸部１２４の略全体が溶融すると、図１６に示すように、第１接合面１２０と第２接合面１２２とが接触して溶接部１１０が形成されるとともに、第２テーパ状部１１８の第１接合面１２０よりも一端側と、テーパ面１２６の第２接合面１２２よりも一端側とが当接する。この際、第２テーパ状部１１８の第１接合面１２０よりも一端側と、テーパ面１２６の第２接合面１２２よりも一端側とが接触する直前、又は接触と同時のタイミングで通電を停止して、抵抗溶接を終える。
【００８０】
これによって、バルブシート１０２とシリンダヘッド本体１０６とを所望の位置関係で接合することができる。その後、バルブシート１０２に機械加工を施して、バルブ当接面３８（図４参照）を形成することにより、シリンダヘッドが得られる。つまり、このシリンダヘッドでは、第１接合面１２０と第２接合面１２２とによって溶接部１１０が形成される。また、第２テーパ状部１１８の第１接合面１２０よりも一端側と、テーパ面１２６の第２接合面１２２よりも一端側との間は互いに当接するのみの非溶融部位となる。
【００８１】
次に、第２実施形態に係る溶接部形成構造１００及び接合方法の作用効果を説明する。溶接部形成構造１００においても、第１実施形態に係る溶接部形成構造１０と同様に、開口周縁部３２の第２接合面１２２に凸部１２４が設けられているため、凸部１２４の頂点１３６を第１接合面１２０に線接触させた状態で、抵抗溶接を開始できる。これによって、バルブシート１０２及びシリンダヘッド本体１０６に形状のばらつきが生じていた場合であっても、当接当初のバルブシート１０２とシリンダヘッド本体１０６との接触面積がばらつくことを抑制できる。
【００８２】
また、溶接部形成構造１００では、Ｌ１とＬ２が略等しくなるように凸部１２４の形状が設定され、Ｌ１ａとＬ２ａとが略等しくなる関係を維持したまま抵抗溶接を進行させることができる。これによって、抵抗溶接時に凸部１２４を流れる電流の経路の長さ（通電距離）が、凸部１２４の部分ごとにばらつくことを抑制できるため、バルブシート１０２とシリンダヘッド本体１０６（溶融した凸部１２４）との接触面内に温度差が生じることを抑制できる。
【００８３】
特に、電極７４には、バルブシート１０２の基端面５０に臨む面の外縁を周回して絶縁部１３８が設けられることが好ましい。絶縁部１３８は、電極７４に設けられた空隙又は絶縁部材からなり、電極７４とバルブシート１０２を部分的に絶縁する。このように、電極７４に絶縁部１３８を設けることで、電流の経路の長さが抵抗溶接の通電時間全体に渡って等しくなる関係を維持し続けることができる。
【００８４】
従って、この溶接部形成構造１００によれば、バルブシート１０２及びシリンダヘッド本体１０６に形状のばらつき等が生じているか否かに関わらず、抵抗溶接を開始してから終了するまでの間、バルブシート１０２とシリンダヘッド本体１０６との接触面を略均等に加熱することができる。これによって、バルブシート１０２とシリンダヘッド本体１０６との接合強度がばらつくことを抑制して、溶接部１１０による接合品質を良好に維持することができる。換言すれば、バルブシート１０２とシリンダヘッド本体１０６を良好に接合可能な溶接部１１０を形成することができる。
【００８５】
また、第２実施形態に係る溶接部形成構造１００では、０°＜γ＝δ＜４５°の関係が成り立つように凸部１２４の形状を設定した。この場合、抵抗溶接の際に、第１接合面１２０と第２接合面１２２との間から排出される溶融した凸部１２４の量を低減させることができる。これによって、溶接部１１０を形成するために必要なエネルギを低減させることが可能になる。なお、凸部１２４は、０°＜γ＝δ＜４５°の関係が成り立つ形状に設定されることに限定されるものではなく、例えば、γとδとの大きさは互いに異なっていてもよい。また、γ及びδのそれぞれは、０°であってもよいし、４５°以上であってもよい。
【００８６】
本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【００８７】
例えば、上記の第１実施形態に係る溶接部形成構造１０の凸部５８、８２、８４に関しても、上記の第２実施形態に係る溶接部形成構造１００の凸部１２４と同様に、０°＜γ＝δ＜４５°に相当する関係が成り立つ形状としてもよい。
【実施例】
【００８８】
［実施例１］
図１１Ａに示すように、凸部８２の形状をα＞β、β＝０となるように設定した。すなわち、この凸部８２では、α＞０、α≧β、β≧０の全てを満足する関係が成り立つ。
【００８９】
また、バルブシート７８の形状をａ＝５．００、ｂ＝５．３５、ｃ＝０．２０の関係となるように設定した。すなわち、このバルブシート７８では、ｂ／ａ＝１．０７、ｃ＝ｂ／２６．７５となり、ｂ／ａ≧１、ｂ／３≧ｃ≧０の全てを満足する関係が成り立つ。
【００９０】
これらの凸部８２及びバルブシート７８について、上記の接合方法を適用して、第１接合面３４と第２接合面３６との間に溶接部２０を形成した。この際、変位量測定試験を行って、圧接荷重によるバルブシート７８の変位量を求めた。また、接合強度測定試験を行って、溶接部２０による接合強度を求めた。
【００９１】
具体的には、バルブシート７８の電極７４から圧接荷重が加えられる面の径方向における外側及び中心側と、これらの中間部分との３箇所に荷重中心点が発生した場合の第１接合面３４について変位量測定試験を行った。これらの荷重中心点ごとに、凸部８２の頂点７２と第１接合面３４とを当接させた当初から第１接合面３４が変位した量をバルブシート７８の変位量とした。これらの各箇所についての変位量測定試験の結果を実施例１として図１７Ａに示す。
【００９２】
また、接合強度測定試験では、シリンダヘッド本体１６を固定した状態で、バルブシート７８に加えるトルクを徐々に増加させ、第２接合面３６と第１接合面３４が剥離したときのトルクの大きさを接合強度として求めた。この接合強度測定試験を３回行った結果を実施例１として図１７Ｂに示す。
【００９３】
［実施例２］
バルブシート７８の形状をａ＝５．００、ｂ＝５．３５、ｃ＝２．００の関係となるように設定したことを除いて、実施例１と同様にして、変位量測定試験を行った結果を実施例２として図１７Ａに示し、接合強度測定試験を行った結果を実施例２として図１７Ｂに示す。このバルブシート７８は、ｂ／ａ＝１．０７、ｃ＝ｂ／２．６７となるため、ｂ／ａ≧１は満たすが、ｂ／３≧ｃ≧０は満たしていない。
【００９４】
図１７Ａから、実施例１では、実施例２に比して、変位量測定試験によって求められる変位量を、バルブシート７８の径方向の全体で安定して小さくできることが分かる。また、図１７Ｂから、実施例１では、実施例２に比して、３回の接合強度測定試験によって求められた接合強度同士のばらつきが小さく、安定して接合強度を大きくできることが分かる。
【００９５】
［実施例３］
実施例１と同様に形状を設定したバルブシート７８及び凸部８２に対して、さらに実施例１と同様にして変位量測定試験を行った結果を実施例３として図１８Ａに示し、接合強度測定試験を行った結果を実施例３として図１８Ｂに示す。
【００９６】
［実施例４］
バルブシート７８の形状をａ＝５．２０、ｂ＝３．９７、ｃ＝０．２０の関係となるように設定したことを除いて、実施例１と同様にして、変位量測定試験を行った結果を実施例４として図１８Ａに示し、接合強度測定試験を行った結果を実施例４として図１８Ｂに示す。このバルブシート７８では、ｂ／ａ＝０．７６、ｃ＝ｂ／１９．８５となるため、ｂ／３≧ｃ≧０は満たすが、ｂ／ａ≧１は満たしていない。
【００９７】
図１８Ａから、実施例３では、実施例４に比して、変位量測定試験によって求められた変位量を、バルブシート７８の径方向の全体で安定して小さくできることが分かる。また、図１８Ｂから、実施例３では、実施例４に比して、３回の接合強度測定試験によって求められた接合強度同士のばらつきが小さく、且つ全体的に接合強度を大きくできることが分かる。
【００９８】
以上の実施例１〜４から、バルブシート７８をｂ／ａ≧１、ｂ／３≧ｃ≧０の全てを満足する関係が成り立つ形状とすることで、圧接荷重によりバルブシート７８が変形することを一層効果的に抑制できることが分かる。これによって、バルブシート７８とシリンダヘッド本体１６とを良好に接触させつつ抵抗溶接を行うことができるため、溶接部２０による接合品質を高めることができる。
【００９９】
［実施例５］
図１３に示す凸部１２４の形状をＬ１＝１．２８×Ｌ２として、Ｌ１よりもＬ２が僅かに小さく（Ｌ１≧Ｌ２）なるように設定した。この凸部１２４と、図１２に示すバルブシート１０２について、実施例１と同様にして、接合強度測定試験を行った結果を実施例５として図１９に示す。
【０１００】
［実施例６］
凸部１２４の形状をＬ１＝（０．７３８〜０．９５２）×Ｌ２として、Ｌ１よりもＬ２が僅かに大きく（Ｌ１＜Ｌ２）なるように設定した。この凸部１２４と、図１２に示すバルブシート１０２について、実施例１と同様にして、接合強度測定試験を行った結果を実施例６として図１９に示す。
【０１０１】
図１９から、実施例５及び実施例６の両方において、良好な接合強度が得られることが分かる。また、実施例５では、実施例６に比して、３回の接合強度測定試験によって求められた接合強度同士のばらつきが小さく、より安定して接合強度を大きくできることが分かる。従って、凸部１２４では、０．７×Ｌ２≦Ｌ１≦１．３×Ｌ２の範囲内で、Ｌ１よりもＬ２を僅かに小さくすることで、バルブシート１０２とシリンダヘッド本体１０６との接触面をより均等に加熱しつつ抵抗溶接を行って、溶接部２０による接合品質をさらに効果的に高めることができる。
【符号の説明】
【０１０２】
１０、１００…溶接部形成構造        １２、７８、１０２…バルブシート
１４、１０４…第１金属部材          １６、１０６…シリンダヘッド本体
１８、１０８…第２金属部材          ２０、１１０…溶接部
２２…シリンダヘッド                ２４…挿入口
２８…吸気ポート                    ３０…排気ポート
３２…開口周縁部                    ３３、１１４…外周面
３４、１２０…第１接合面            ３６、１２２…第２接合面
４８…内周面                        ５０…基端面
５２、５４、５６、７６…端部        ５８、８２、８４、１２４…凸部
６０…第１テーパ面                  ６２…第２テーパ面
６４、１２８…第１起点部            ６６、１３０…第２起点部
６８、１３２…第１面                ７０、１３４…第２面
７２、１３６…頂点                  １１６…第１テーパ状部
１１８…第２テーパ状部              Ｚ…交差部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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