(57)【要約】【課題】冷却液量と冷却液圧とを従来よりも高く設定せずに、バリの冷却及び除去を効率的に行う。【解決手段】導入通路２５は水槽１４の外部に設けられたエアミキシングユニット３１に連通され、このエアミキシングユニット３１から加圧エアが混入された冷却流体が供給される。冷却流体は、冷却液の水圧が約２ｋｇｆ、エア圧が約３〜５ｋｇｆに加圧されている。冷却流体通路２４及びチップ内通路２７には、導入通路２５から５気圧程度の冷却流体が導入されて電極チップ２２を冷却する。また、分岐通路２６からカーテン通路２３ａに流入する冷却流体は５〜１０ｋｇｆ程度の衝撃圧を持って電極チップ２２の外周部にカーテン状に均一に吐き出され、冷却水３３中で接合界面からバルブシート部材２０の非接合端面又は電極チップ２２の外周部に排出されるろう材及びシリンダヘッド素材からなるバリＢ１を冷却し、且つ吹き飛ばすことにより除去する。【選択図】　　　図２
2004114105.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極部による通電及び押圧により第１金属部材を当該第１金属部材より融点の低い第２金属部材に接合する金属部材の接合装置であって、
前記電極部から前記第１金属部材を包囲し且つ前記第２金属部材との接合部位付近に向けて冷却流体を噴出させる冷却流体供給手段と、
冷却液に加圧気体を混入して前記冷却流体として前記冷却流体供給手段に供給する冷却流体生成手段とを具備することを特徴とする金属部材の接合装置。
【請求項２】
前記第１金属部材及び前記第２金属部材を冷却液中で接合する冷却液収容手段を更に備え、前記冷却流体供給手段は、前記電極部内部に前記冷却流体を流通させる流体通路と、前記電極部の外周部から前記冷却流体をカーテン状に噴出させる噴出通路とを有することを特徴とする請求項１に記載の金属部材の接合装置。
【請求項３】
前記冷却流体生成手段は、前記冷却流体供給手段に供給される冷却液に加圧エアを混入させることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属部材の接合装置。
【請求項４】
前記第１金属部材は鉄系のバルブシート部材であり、前記第２金属部材はアルミニウム合金製のシリンダヘッドであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の金属部材の接合装置。
【請求項５】
電極部による通電及び押圧により第１金属部材を当該第１金属部材より融点の低い第２金属部材に接合する金属部材の接合方法であって、
前記電極部から前記第１金属部材を包囲し且つ前記第２金属部材との接合部位付近に向けて加圧気体が混入された冷却流体を噴出させ、
前記接合により発生するバリを前記冷却流体により冷却すると共に、当該バリを除去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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、自動車用エンジンおけるシリンダヘッドの給排気ポート部に環状バルブシート部材を接合する金属部材の接合装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電極部の電気抵抗による発熱を用いて自動車用エンジンにおけるシリンダヘッドの給排気ポート部に環状バルブシート部材を接合する技術が実用化されている。
【０００３】
また、上記接合の際に、電極部の外周部からバルブシート部材を包囲し且つシリンダヘッドとの接合部位付近に向けて冷却液を噴出させ、接合により発生するバリを冷却液により冷却すると共に、当該バリを吹き飛ばすことで除去する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１５３９７４号公報（図７）
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記公報記載の技術では、冷却液量と冷却液圧とを非常に高く設定しなければバリを完全に吹き飛ばして除去することは難しい。また、高圧の冷却液を大量に噴出させるには無駄が多く、装置周辺に飛散してセンサなどの誤検出や誤作動などを引き起こす虞もある。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、冷却液量と冷却液圧とを従来よりも高く設定せずに、バリの冷却及び除去を効率的に行うことができる金属部材の接合装置及び方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決し、目的を達成するために、本発明の金属部材の接合装置は、電極部による通電及び押圧により第１金属部材を当該第１金属部材より融点の低い第２金属部材に接合する金属部材の接合装置であって、前記電極部から前記第１金属部材を包囲し且つ前記第２金属部材との接合部位付近に向けて冷却流体を噴出させる冷却流体供給手段と、冷却液に加圧気体を混入して前記冷却流体として前記冷却流体供給手段に供給する冷却流体生成手段とを具備する。
【０００７】
好ましくは、上記装置において、前記第１金属部材及び前記第２金属部材を冷却液中で接合する冷却液収容手段を更に備え、前記冷却流体供給手段は、前記電極部内部に前記冷却流体を流通させる流体通路と、前記電極部の外周部から前記冷却流体をカーテン状に噴出させる噴出通路とを有する。
【０００８】
好ましくは、上記装置において、前記冷却流体生成手段は、前記冷却流体供給手段に供給される冷却液に加圧エアを混入させる。
【０００９】
好ましくは、上記装置において、前記第１金属部材は鉄系のバルブシート部材であり、前記第２金属部材はアルミニウム合金製のシリンダヘッドである。
【００１０】
また、本発明の金属部材の接合方法は、電極部による通電及び押圧により第１金属部材を当該第１金属部材より融点の低い第２金属部材に接合する金属部材の接合方法であって、前記電極部から前記第１金属部材を包囲し且つ前記第２金属部材との接合部位付近に向けて加圧気体が混入された冷却流体を噴出させ、前記接合により発生するバリを前記冷却流体により冷却すると共に、当該バリを除去する。
【００１１】
【発明の効果】
以上説明のように、請求項１及び５の発明によれば、電極部から第１金属部材を包囲し且つ第２金属部材との接合部位付近に向けて加圧気体が混入された冷却流体を噴出させ、接合により発生するバリを冷却流体により冷却すると共に、当該バリを除去することにより、冷却液量と冷却液圧とを従来よりも高く設定せずに、バリの冷却及び除去を効率的に行うことができる。
【００１２】
請求項２の発明によれば、第１金属部材及び第２金属部材を冷却液中で接合し、冷却流体は、電極部内部の流体通路を流通し、電極部の外周部から噴出通路を介してカーテン状に噴出されることにより、電極部及びバリの冷却と、バリの除去とを同時に行うことができる。
【００１３】
請求項３の発明によれば、冷却流体は冷却液に加圧エアを混入させることにより、電極部の外周部から噴出される冷却流体の衝撃圧を大幅に高めることができ、バリを確実に吹き飛ばすことができる。また、エアを混入しない場合に比して冷却液の水量が少なくなるため効率的であり、装置周辺への飛散も抑えることができる。
【００１４】
請求項４の発明によれば、第１金属部材は鉄系のバルブシート部材であり、第２金属部材はアルミニウム合金製のシリンダヘッドであることにより、バルブシート部材をシリンダヘッドに接合する際に発生するバリを除去して、電極部の寿命を延ばすことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。
【００１７】
［金属部材の接合装置］
図１は、本発明に係る実施形態の金属部材の接合装置（以下、接合装置という）の全体構成を示す図である。図２は、図１の接合装置の電極部の構成を示す断面図である。図３は、図１の接合装置により接合されるバルブシート部材とシリンダヘッドとの位置関係を示す断面図である。
【００１８】
図１において、接合装置１は、ベース１１上に設けられた変圧器としてのトランス１２と、トランス１２の側方のベース１１上に２次元方向に移動可能に設けられたステージ１３とを備え、このステージ１３上に保持された冷却水３３で満たされた水槽１４内部にシリンダヘッド１５が配置される。
【００１９】
また、トランス１２の側方であってシリンダヘッド１５の上方には、トランス１２に対して電気的に接続された電気抵抗溶接ユニット１６が設けられ、このユニット１６の下部には加圧シリンダ１７及びプラテン１８を介して電極部１９が取り付けられている。
【００２０】
電極部１９の下端部には、図２に示すように、環状のバルブシート部材２０が図示しない磁石の磁力により着脱自在に保持される。上記シリンダヘッド１５は、例えば導電性材料であるアルミニウム合金からなり、バルブシート部材は、例えば導電性材料である鉄系材料からなる焼結材である。
【００２１】
図３に示すように、バルブシート部材２０は非接合端面である上端面２０ａお及び内周部２０ｂと、接合端面である２つのテーパ部２０ｃ，２０ｄが形成された外周部とを有しており、上記水槽１４内の冷却水３３中でテーパ部２０ｃを電極部１９による押圧によりシリンダヘッド１５のポート部１５ａの開口縁部１５ｂに当接させ、且つ通電により発熱を集中させることによりシリンダヘッド素材を塑性流動させながら押し込む。
【００２２】
図２に示すように、電極部１９は、プラテン１８の下部にボルト２１ａなどにより固定された筒状の電極チップホルダ２１と、電極チップホルダ２１の下端部に凸部螺合により固定された電極チップ２２と、電極チップホルダ２１の外周面を包囲するように設けられた筒状のカーテン部材２３とを備える。
【００２３】
電極チップホルダ２１はクロム銅などの導電性材料から構成され、電極チップ２２もクロムなどの導電性材料から構成されている。カーテン部材２３は、電極チップホルダ２１の外周面との間に下方に開口するカーテン通路２３ａを形成している。
【００２４】
電極チップホルダ２１の内部には、外部のエアミキシングユニット３１から導入された冷却液（工場水）に加圧エアが混入された冷却流体をホルダの軸方向に流通させるための冷却流体通路２４と、電極チップホルダ２１の外周面から冷却水通路２４に冷却流体を導入するための導入通路２５と、この冷却流体通路２４から分岐して電極チップホルダ２１の外周面とカーテン部材２３との間のカーテン通路２３ａに連通する分岐通路２６とが形成されている。
【００２５】
また、電極チップ２２の内部にも、電極チップホルダ２１に装着された状態で冷却流体通路２４に連通するチップ内通路２７が形成されている。
【００２６】
導入通路２５は水槽１４の外部に設けられたエアミキシングユニット３１に連通され、このエアミキシングユニット３１から加圧エアが混入された冷却流体が供給される。
【００２７】
エアミキシングユニット３１は導入通路２５の上流側に設けられ、エア供給路３１ａから供給されるエア（工場エア）を冷却液供給路３１ｂから供給される冷却液に混入させて気泡を含む所定圧力の冷却流体を生成する。
【００２８】
冷却流体は、冷却液の水圧が約２ｋｇｆ、エア圧が約３〜５ｋｇｆに加圧されている。冷却流体通路２４及びチップ内通路２７には、導入通路２５から５気圧程度の冷却流体が導入されて電極チップ２２を冷却する。また、分岐通路２６からカーテン通路２３ａに流入する冷却流体は５〜１０ｋｇｆ程度の衝撃圧を持って電極チップ２２の外周部及びバルブシート部材２０の非接合端面側の接合界面近傍にカーテン状に均一に噴出され、冷却水３３中で接合界面からバルブシート部材２０の非接合端面又は電極チップ２２の外周部に排出されるろう材及びシリンダヘッド素材からなるバリＢ１を濡れ性により接合部位から分離しやすい球形状に冷却して、且つ吹き飛ばすことにより除去する。これにより、バリの電極部への付着を抑制して、電極部の寿命を延ばすことができる。
【００２９】
また、冷却液に加圧エアを混入することにより、カーテン通路２３ａから吐き出される冷却流体の衝撃圧を大幅に高めることができ、バリを確実に吹き飛ばすことができる。また、エアを混入しない場合に比して冷却液の水量が少なくなるため効率的であり、装置周辺への飛散も抑えることができる。
【００３０】
電極チップ２２は、バルブシート部材２０の非接合端面である上端面２０ａに当接する当接部２８と、この当接部２８がバルブシート部材２０の上端面２０ａに当接した状態で、バルブシート部材２０の内周部２０ｂの非接合端面側に隙間なく嵌合し、かつその接合端面側に向けてテーパ状に縮径して内周部２０ｂとの間に隙間を形成する突出部２９とを有する。
【００３１】
この突出部２９は、バルブシート部材２０の内周部２０ｂの非接合端面側に隙間なく嵌合することによりバルブシート部材２０を電極チップ２２に対して位置決めする。また、突出部２９は、当接部２８がバルブシート部材２０の上端面２０ａに当接した状態で、バルブシート部材２０の非接合端面とは反対側の接合端面から突出する突出長さに形成され、後述するように接合時に下方に出ていたバリＢ２をせき止めてバルブシート部材２０の内周部２０ｂと突出部２９の外周部との間の隙間に流れ込ませ、バルブシート部材２０の内周部２０ｂと突出部２９の外周部とを嵌合状態とする。
【００３２】
図４は、シリンダヘッドとバルブシート部材との接合工程を説明する図である。
【００３３】
この接合工程における接合条件は、例えば、押圧力３．０トン、電流９０ｋＡ、通電時間０．３〜０．５秒とされ、接合工程においては、先ず、電極部１９の電極チップ２２で保持したバルブシート部材２０をシリンダヘッド１５のポート開口縁部１５ｂに移動させ、予めろう材が被覆されたバルブシート２０を、図４（ａ）に示す如く当接させる。
【００３４】
次に、図４（ｂ）に示す如く、電極チップ２２の当接部２８によりバルブシート部材２０をポート開口縁部１５ｂに対して押圧すると同時に通電させる。シリンダヘッド１５のポート開口縁部１５ｂとバルブシート部材２０のテーパ部２０ｃとの接合面には電気的な抵抗が存在するため、電極チップ２２による押圧及び（パルス）通電によって当該接合面が加熱される。そして、この加圧と加熱とが継続されることにより、シリンダヘッド１５のポート開口縁部１５ｂの素材が塑性流動するので、バルブシート部材２０は図４（ｂ）の状態を経て図４（ｃ）のようにシリンダヘッド１５のポート部１５ａに埋没し、溶融拡散接合される。
【００３５】
尚、バルブシート部材２０には、上端面２０ａ及び内周部２０ｂにろう材が付着しないように超音波めっきによりろう材が被覆されるが、図５（ａ）に示すように、ろう材被覆時の表面張力の作用によりバルブシート部材２０の上端面２０ａの外周縁部にはろう材が被覆されないため、バルブシート部材２０の上端面２０ａ近傍の接合界面はろう材の拡散状態が悪くなり、接合強度の低下を招く虞がある。
【００３６】
このため、図５（ｂ）に示すように、バルブシート部材２０をシリンダヘッド１５のポート開口縁部１５ｂの上端部まで埋め込んだ場合、シリンダヘッド素材やろう材からなるバリＢ１が電極チップ２２の当接部の外周縁部に付着し反応することにより、電極チップ２２の損耗が促進されてしまう。
【００３７】
上記課題を解決するために、本実施形態では、図６（ａ）に示すように、バルブシート部材２０のテーパ部２０ｄの上端部にバルブシート部材２０をシリンダヘッド１５に接合する際の押圧方向（垂直方向）に延びる５ｍｍ程度の平面部２０ｅを形成している。
【００３８】
そして、接合の際には、図６（ｂ）に示すように、バルブシート部材２０を平面部２０ｅの下端部手前２０ｆまでポート開口縁部１５ｂに埋め込むことにより、シリンダヘッド素材やろう材からなるバリＢ１が電極チップ２２の当接部２８の外周縁部に付着することがなくなり、電極チップ２２の損耗を抑制することができる。
【００３９】
図７は、平面部の有無によるバルブシート部材の接合強度を比較して示す図である。
【００４０】
図７に示すように、図５に示す平面部無しのバルブシート部材の接合強度に比べて、図６の平面部有りのバブルシート部材の接合強度が、平均値（ＡＶＧ）の点で上回っており、接合界面のろう材の拡散状態を改善する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態の金属部材の接合装置の全体構成を示す図である。
【図２】図１の接合装置の電極部の構成を示す断面図である。
【図３】図１の接合装置により接合されるバルブシート部材とシリンダヘッドとの位置関係を示す断面図である。
【図４】シリンダヘッドとバルブシート部材との接合工程を説明する図である。
【図５】バルブシート部材の形状の問題点を説明する図である。
【図６】本実施形態のバルブシート部材の形状を示す図である。
【図７】平面部の有無によるバルブシート部材の接合強度を比較して示す図である。
【符号の説明】
１２　トランス
１５　シリンダヘッド
１８　プラテン
１９　電極部
２０　バルブシート部材
２１　電極チップホルダ
２２　電極チップ
２３　カーテン部材
２３ａ　カーテン通路
２４　冷却流体通路
２５　導入通路
２６　分岐通路
２８　当接部
２９　突出部
３１　エアミキシングユニット
３３　冷却液
Ｂ１，Ｂ２　バリ
【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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