(57)【要約】【課題】筒状端部を有する二つの中空部材の当該筒状端部同士を溶接する際に、中空部材内側への裏ビード発生を防止又は抑制可能な溶接方法を提供する。【解決手段】溶接時に中空部材１０，２０Ａと溶着し難い材質で作られると共に中空部材の筒状端部の内周面に密接可能な外周当て面３３を有する円盤状の当て部材３０を準備する。二つの中空部材の各々の筒状端部１０ｂ，２１を相互接合する際に、少なくとも一方の筒状端部１０ｂの内側に前記当て部材３０を存在させてその外周当て面３３を当該筒状端部１０ｂの内周面に密接させる。この密接状態を保持したまま二つの筒状端部の接合領域に対して外側から溶接Ｗを施した後、相互連結された二つの中空部材の内部から前記当て部材３０を取り出して、溶接を完了する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの中空部材の筒状端部同士を溶接する方法であって、
溶接時に前記中空部材と溶着し難い材質で作られると共に中空部材の筒状端部の内周面に密接可能な外周当て面を有する円盤状の当て部材を準備し、
二つの中空部材の各々の筒状端部を相互接合する際に、少なくとも一方の筒状端部の内側に前記当て部材を存在させてその外周当て面を当該筒状端部の内周面に密接させ、
この密接状態を保持したまま二つの筒状端部の接合領域に対して外側から溶接を施した後、相互連結された二つの中空部材の内部から前記当て部材を取り出すことを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
前記円盤状の当て部材は、二つの中空部材のうちのいずれかの中に予め収容保持された被収容物に装着されることで、溶接前の前記接合状態にある二つの中空部材の内側に安定保持されることを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
【請求項３】
前記円盤状の当て部材は、互いに組み合わせることにより前記外周当て面を形成可能な複数の分割片から構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶接方法。
【請求項４】
二つの中空部材の筒状端部同士を溶接する方法であって、
相対的に薄肉な筒状端部を有する第１中空部材と、相対的に厚肉な筒状端部を有する第２中空部材とを準備し、
第１中空部材の筒状端部の内側に第２中空部材の筒状端部が重なるように両中空部材の筒状端部を相互接合し、
その相互接合状態を保持したまま両中空部材の筒状端部の接合領域に対し外側から溶接を施すことを特徴とする溶接方法。
【請求項５】
二つの中空部材の筒状端部同士を溶接する方法であって、
筒状端部を有する第１中空部材、並びに、相対的に厚肉な内側周壁及び相対的に薄肉な外側周壁の間に区画されて前記第１中空部材の筒状端部を嵌入可能な略環状の嵌合溝が形成された筒状端部を有する第２中空部材を準備し、
第１中空部材の筒状端部を第２中空部材の略環状嵌合溝内に嵌入させて両中空部材の筒状端部を相互接合し、
その相互接合状態を保持したまま両中空部材の筒状端部の接合領域に対し外側から溶接を施すことを特徴とする溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二つの中空部材の筒状端部同士を溶接する際に裏ビードの発生を管理可能な溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばエンジンの排気系に設けられる触媒一体型マニホールド（いわゆるマニバータ）は、エンジンの各排気ポートに連通する複数の枝管を集合する排気集合容器と、触媒担体を収容する筒状容器（コンバータケース）とを備えており、筒状容器と排気集合容器とは両者の端部を接合した後、その接合部位を全周溶接することにより連結されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１３７７２０号
【０００４】
全周溶接を両容器端部の接合部位の外周面側（表側）に施した場合、当該接合部位の内周面側には裏ビード（図７に示すような溶接痕の裏側への盛り上がり）が生じやすい。かかる裏ビードは、コンバータケースに収容される触媒担体と干渉してこれを破損したり、ケース内突起物となって排気ガス流れを阻害し排気抵抗を増大させたりする等の不都合を生む。このため、溶接時における裏ビード管理が排気系部品の製造上の重要課題となっている。
【０００５】
これまで排気系部品の裏ビード対策としては、まず製造実験段階において、裏ビードが目立たない溶接条件（溶接トーチ及び溶接ワイヤの選定や、溶接機の電流又は電圧値、ワーク送り速度等の条件）を試行錯誤的に決定するのみならず、量産段階でも量産品からの抜き取り検査を行っていた。この抜き取り検査では、抜き取った製品を敢えて切断等して内側の裏ビード発生状況や触媒担体の状況を目視検査し、裏ビードが許容範囲内にあることを逐一確認している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のような単純な裏ビード対策では、裏ビードの許容範囲を逸脱する不良品が少なからぬ比率で発生し、その不良品発生率を更に低下させることが難しくなっている。本発明の目的は、筒状端部を有する二つの中空部材の当該筒状端部同士を溶接する際に、中空部材内側への裏ビード発生を防止又は抑制することが可能な溶接方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、二つの中空部材の筒状端部同士を溶接する方法であって、溶接時に前記中空部材と溶着し難い材質で作られると共に中空部材の筒状端部の内周面に密接可能な外周当て面を有する円盤状の当て部材を準備し、二つの中空部材の各々の筒状端部を相互接合する際に、少なくとも一方の筒状端部の内側に前記当て部材を存在させてその外周当て面を当該筒状端部の内周面に密接させ、この密接状態を保持したまま二つの筒状端部の接合領域に対して外側から溶接を施した後、相互連結された二つの中空部材の内部から前記当て部材を取り出すことを特徴とする溶接方法である。
【０００８】
この方法によれば、溶接に先んじて二つの中空部材の各々の筒状端部を相互接合する際に、少なくとも一方の筒状端部の内側に円盤状の当て部材を存在させることでその当て部材の外周当て面を筒状端部の内周面に密接させる。このため、接合領域に対する外側からの溶接（即ち入熱）により、筒状端部の全体が溶融し内側（入熱側と反対側）に膨らもうとしても、筒状端部の内周面に密接する当て部材の外周当て面が、端部を構成する金属の膨らみを阻止するため、裏ビードが顕在化しない。それ故、中空部材の筒状端部の内側面（即ち溶接で得られる中空製品の内側面）における裏ビード発生を防止又は抑制することができる。
【０００９】
尚、この溶接方法において、前記円盤状の当て部材は、二つの中空部材のうちのいずれかの中に予め収容保持された被収容物に装着されることで、溶接前の前記接合状態にある二つの中空部材の内側に安定保持されること、は好ましい。この構成によれば、いずれかの中空部材の中に予め収容保持された被収容物を利用して、溶接前の二つの中空部材の内側における円盤状の当て部材の仮保持を安定化させることができる。
【００１０】
また、前記溶接方法において、前記円盤状の当て部材は、互いに組み合わせることにより前記外周当て面を形成可能な複数の分割片から構成されていること、は好ましい。この構成によれば、溶接後に相互連結された二つの中空部材の内部から当該当て部材を取り出すときに、分割片ごとに分割して取り出すことができ、取り出し操作が容易になる。
【００１１】
第２の発明は、二つの中空部材の筒状端部同士を溶接する方法であって、相対的に薄肉な筒状端部を有する第１中空部材と、相対的に厚肉な筒状端部を有する第２中空部材とを準備し、第１中空部材の筒状端部の内側に第２中空部材の筒状端部が重なるように両中空部材の筒状端部を相互接合し、その相互接合状態を保持したまま両中空部材の筒状端部の接合領域に対し外側から溶接を施すことを特徴とする溶接方法である。
【００１２】
この方法によれば、溶接に先んじて、第１中空部材の薄肉な筒状端部が外側に第２中空部材の厚肉な筒状端部が内側にそれぞれ配置されて重なるように両中空部材の筒状端部が相互接合される。このため、接合領域に対する外側からの溶接に際しては、両筒状端部の肉厚差を利用して、第２中空部材の厚肉な筒状端部の内側が溶融又は軟化してビード化する前に、第２中空部材の筒状端部に対する第１中空部材の薄肉な筒状端部の溶着を完了することができる。それ故、第２中空部材の筒状端部の内側面（即ち溶接で得られる中空製品の内側面）における裏ビード発生を防止又は抑制することができる。
【００１３】
第３の発明は、二つの中空部材の筒状端部同士を溶接する方法であって、筒状端部を有する第１中空部材、並びに、相対的に厚肉な内側周壁及び相対的に薄肉な外側周壁の間に区画されて前記第１中空部材の筒状端部を嵌入可能な略環状の嵌合溝が形成された筒状端部を有する第２中空部材を準備し、第１中空部材の筒状端部を第２中空部材の略環状嵌合溝内に嵌入させて両中空部材の筒状端部を相互接合し、その相互接合状態を保持したまま両中空部材の筒状端部の接合領域に対し外側から溶接を施すことを特徴とする溶接方法である。
【００１４】
この方法によれば、溶接に先んじて、第１中空部材の筒状端部が第２中空部材の略環状嵌合溝内に嵌入するように両中空部材の筒状端部が相互接合される。この接合領域の径方向断面を見ると、その最も内側に第２中空部材の厚肉な内側周壁が位置し、その外側に第１中空部材の筒状端部が位置し、更にその外側に第２中空部材の薄肉な外側周壁が位置することになる。このため、接合領域に対する外側からの溶接に際しては、最も外側にある第２中空部材の薄肉な外側周壁をその内側の第１中空部材の筒状端部に対して完全に溶着できる程度の入熱で、溶接の目的（即ち第１及び第２中空部材の連結）を達成でき、それ以上の入熱、即ち第２中空部材の厚肉な内側周壁が溶融又は軟化してビード化するほどの入熱は必要ない。故に、第２中空部材の筒状端部の内側周壁（即ち溶接で得られる中空製品の内側面）における裏ビード発生を防止又は抑制することができる。尚、仮に第１中空部材の筒状端部と第２中空部材の厚肉な内側周壁との間で溶着が生じたとしても、第２中空部材の内側周壁は厚肉化されており、内側周壁の内側に裏ビードが生じることはない（この尚書きの作用が効果的に発揮されるためには、第１中空部材の筒状端部の厚みが第２中空部材の厚肉な内側周壁よりも薄いことが望ましい）。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の溶接方法を触媒一体型マニホールド（マニバータ）の製造に適用したいくつかの実施形態を図面を参照して説明する。製品事例として取り上げたマニバータは、例えば図５に示すように、コンバータケース１０と、そのケース１０内に圧入される二組の被収容物１１，１２と、コンバータケース１０の上流側及び下流側の各開口端部にそれぞれ溶接される二つのステンレス製フランジ材２０Ａ，２０Ｂとを備えている。コンバータケース１０は、途中にスプール状の縮径部１０ａが形成されると共にその縮径部１０ａの前後にストレート円筒状の二つの収容部を備えた略円筒状のステンレス製部材である。コンバータケース１０の各収容部に圧入される被収容物１１，１２は、円柱状の触媒担体（図１等に示す部材１３）の周囲にマット状の保持シール材（図２等に示す部材１４）を巻き付けたものである。触媒担体１３は、例えば多孔質セラミックス焼結体製のいわゆるハニカム構造体であって、ハニカム構造の各セルの表面に排気ガス浄化触媒を担持したものである。保持シール材１４は、例えばアルミナファイバーのような耐熱性セラミックス繊維をマット状に固めた部材であり、シール材としての役割と、触媒担体とケース収容部の内壁面との間に介在して面圧を及ぼすことにより触媒担体１３をケース収容部内に安定保持するための保持材としての役割とを兼ねている。以下では、第１の中空部材としてのコンバータケース１０の上流側筒状端部１０ｂと、第２の中空部材としての上流側フランジ材２０Ａの下流側短筒状端部２１との溶接に本件方法を適用した事例を説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
図１及び図２に示すように、コンバータケース１０内には、触媒担体１３の周囲にマット状保持シール材１４を巻回してなる被収容物が予め圧入されている。この圧入状態では、コンバータケースの筒状端部１０ｂの先端縁が触媒担体１３の端面よりも上方に突出する一方、マット状保持シール材１４の先端縁が触媒担体１３の端面よりも下方に後退している。このため、コンバータケースの筒状端部１０ｂの内周面と触媒担体１３の外周面との間には環状溝１５が存在する。この環状溝１５を使用して、触媒担体１３の端面上には円盤状の当て部材３０が装着される。
【００１７】
図１に示すように、円盤状当て部材３０は、複数個の分割片３１（本例では４個）から構成されている。これらの分割片３１は、円盤状当て部材３０の中心軸線Ｌ周りで等角度間隔にて分割片化されており、いずれも同一形状をなす。各分割片３１は、前記中心軸線Ｌと対向する内周面３２と、円盤状当て部材３０の外周面に相当する外周当て面３３と、分割片の底部外周域において下方に突出形成された円弧状脚部３４と、分割片の頭部領域において略円錐面状に形成されたテーパ面３５とを有している。尚、当て部材３０を構成する各分割片３１は、溶接時においてコンバータケース１０及びフランジ材２０Ａ（いずれもステンレス製）と溶着し難い異材質で作られている。使用可能な異材質としては、アルミニウム若しくはその合金（例えばジュラルミン）、銅若しくはその合金、又は、セラミックス焼結体等の非金属無機材料を例示することができる。
【００１８】
図２に示すように、溶接に先んじた準備工程では先ず、触媒担体１３の端面上に、４個の分割片３１を組み合わせた状態の当て部材３０が装着される。このとき、触媒担体１３の外周面とコンバータケース１０の内周面との間の環状溝１５内に各分割片の円弧状脚部３４が嵌入して、各分割片３１の触媒担体１３の端面に対する位置決めが行われ、その結果、コンバータケースの筒状端部１０ｂの内側への円盤状当て部材３０の配置が完了する。
【００１９】
続いて図３に示すように、コンバータケースの筒状端部１０ｂに対してフランジ材２０Ａの短筒状端部２１が接合される。フランジ材の短筒状端部２１の内側には、環状の段差部２２が設けられており、その段差部２２にコンバータケースの筒状端部１０ｂの先端が当接することで両中空部材１０，２０Ａの端部同士の突き合わせが完了する。この両中空部材の端部同士の相互接合状態では、フランジ材の短筒状端部２１のうちの段差部２２よりも下側（先端側）部位が、コンバータケースの筒状端部１０ｂの外周側に覆い被さる格好となる。また、両中空部材の端部同士の接合領域において、各分割片の外周当て面３３が、コンバータケースの筒状端部１０ｂの内周面及びフランジ材の短筒状端部２１のうちの段差部２２よりも上側部位の内周面に密接する。
【００２０】
そして、この密接状態を保持したまま、コンバータケースの筒状端部１０ｂとフランジ材の短筒状端部２１との接合領域に対して、図３に矢印で示すように外側から溶接Ｗを施す。この溶接Ｗは、当該接合領域の周方向の全体にわたり施される（即ち全周溶接）。尚、溶接Ｗに際して、コンバータケース１０等と同じ材質の溶接ワイヤを用いることは好ましい。また、溶接方法は、電気溶接、抵抗溶接、アーク溶接等なんでもよい。
【００２１】
前記接合領域に対する外側からの溶接Ｗにより、フランジ材の短筒状端部２１及びコンバータケースの筒状端部１０ｂは加熱され溶融状態となるが、両筒状端部の内周側には当て部材の外周当て面３３が密接しているため、溶融状態に陥った金属肉部が内側に膨らもうとしても、外周当て面３３が膨らみを阻止する。このため、前記接合領域の全周溶接時に溶接対象部位に過度の入熱があったとしても、コンバータケースの内側で裏ビードが顕在化することはない。
【００２２】
全周溶接の完了後、図４に示すように、溶接Ｗにより相互連結されたコンバータケース１０及びフランジ材２０Ａの内部から、当て部材３０を構成する各分割片３１を一つずつ取り出す。具体的な取り出し方法としては、溶接後の中空製品を逆さまにしフランジ材２０Ａの上流側開口部２３を下向きにすることで、個々の分割片３１を落下させることがあげられる。あるいは各分割片３１の一部（例えば内周面３２）に係合凹部を設けておき、その係合凹部に外から挿入した針金の先端（フック部）を引っ掛け、その針金で分割片３１を釣り上げたり、引っ張り出したりしてもよい。尚、分割片化によって一つ一つの分割片３１を小型化したことに加えて、各分割片３１の頭部にテーパ面３５を形成し頭部領域を略円錐状としたため、個々の分割片３１を、フランジ材２０Ａの内壁に引っ掛かることなく該フランジ材の上流側開口部２３にまでスムーズに移動させ、その上流側開口部２３から外に取り出すことができる。
【００２３】
このように本実施形態によれば、二つの中空部材１０，２０Ａの溶接に際し円盤状当て部材３０を利用することで、製品の内側に裏ビードが発生するのを効果的に防止又は抑制することができる。また、円盤状当て部材３０を複数の分割片３１で構成することで、溶接後の製品の内部からの取り出しが容易になる。
【００２４】
なお、当て部材３０の分割数は４分割に限定されるものではなく、例えば３分割や６分割でもよい。また、溶接後の中空製品内からの取り出しに支障を生じない限り、当て部材３０は分割片化されない単一物であってもよい。
【００２５】
（第２実施形態）
第２及び第３実施形態は、前述のような当て部材を使用しない溶接方法に関する。第２実施形態では、図６（Ａ）に示すように、溶接Ｗに先んじて、コンバータケース１０の筒状端部１０ｂに対してフランジ材２０Ａの短筒状端部２１が接合される。フランジ材の短筒状端部２１の外側には、環状の段差部２２が設けられており、その段差部２２にコンバータケースの筒状端部１０ｂの先端が当接することで両中空部材１０，２０Ａの端部同士の突き合わせが完了する。フランジ材の短筒状端部２１のうちの段差部２２よりも下側（先端側）部位２４の厚みｔ１は、コンバータケースの筒状端部１０ｂの厚みｔ２よりも厚肉化されている。本例では、厚みｔ１は厚みｔ２の約２倍程度に設定されている。また、両中空部材１０，２０Ａの端部同士の相互接合状態では、フランジ材の短筒状端部２１のうちの段差部２２よりも下側部位２４が、コンバータケースの筒状端部１０ｂの内周側に重ねて配置される。
【００２６】
そして、この相互接合状態を保持したまま、コンバータケースの筒状端部１０ｂとフランジ材の短筒状端部２１との接合領域に対して、図中に矢印で示すように外側から溶接Ｗを施す。この溶接Ｗは、当該接合領域の周方向の全体にわたり施される（即ち全周溶接）。尚、溶接に際して、コンバータケース１０等と同じ材質の溶接ワイヤを用いることは好ましい。また、溶接方法は、電気溶接、抵抗溶接、アーク溶接等なんでもよい。
【００２７】
前記接合領域に対する外側からの溶接Ｗにより、コンバータケースの筒状端部１０ｂと、それに接するフランジ材の部位２４は加熱されて溶融状態となるが、両筒状端部の肉厚差（ｔ１−ｔ２）のために、フランジ材の厚肉な被加熱部位２４の全体が溶融してビード化する前に、フランジ材２０Ａの厚肉な短筒状端部２１に対するコンバータケースの薄肉な筒状端部１０ｂの溶着を完了することができる。溶接時の入熱をその程度にとどめておけば、フランジ材の厚肉な短筒状端部２１の内周側が軟化することはなく、コンバータケース１０の内側で裏ビードが顕在化することはない。
【００２８】
このように本実施形態によれば、相対的に薄肉なコンバータケース１０の筒状端部１０ｂの内側に相対的に厚肉なフランジ材２０Ａの短筒状端部２１を重ねて配置し、筒状端部同士の接合領域に対して外側から全周溶接を施すことにより製品の内側に裏ビードが発生するのを効果的に防止又は抑制することができる。
【００２９】
（第３実施形態）
第３実施形態では、図６（Ｂ）に示すように、溶接Ｗに先んじて、コンバータケース１０の筒状端部１０ｂに対してフランジ材２０Ａの短筒状端部２１が接合される。フランジ材の短筒状端部２１は内側周壁２５と外側周壁２６とを具備しており、両周壁２５，２６間には環状の嵌合溝２７が区画形成されている。この環状嵌合溝２７の幅（即ち内側及び外側周壁２５，２６の間隔）は、コンバータケースの筒状端部１０ｂを嵌入可能に設定されている。また、フランジ材の内側周壁２５の厚みｔ１は、外側周壁２６の厚みｔ３よりも厚肉化されている。本例では、厚みｔ１は厚みｔ３の約２倍程度に設定されている。その一方で、フランジ材の外側周壁２６の厚みｔ３は、コンバータケースの筒状端部１０ｂの厚みｔ２に等しいかそれよりも小さく設定されている。即ち、ｔ１＞ｔ２＝ｔ３又はｔ１＞ｔ２＞ｔ３となるように各厚みが設定されている。そして両中空部材１０，２０Ａの端部同士の相互接合状態では、フランジ材の短筒状端部２１の環状嵌合溝２７内に、コンバータケースの筒状端部１０ｂが嵌入される。
【００３０】
そして、この相互接合状態を保持したまま、コンバータケースの筒状端部１０ｂとフランジ材の短筒状端部２１との接合領域に対して、図中に矢印で示すように外側から溶接Ｗを施す。この溶接Ｗは、当該接合領域の周方向の全体にわたり施される（即ち全周溶接）。尚、溶接に際して、コンバータケース１０等と同じ材質の溶接ワイヤを用いることは好ましい。また、溶接方法は、電気溶接、抵抗溶接、アーク溶接等なんでもよい。
【００３１】
前記接合領域に対する外側からの溶接Ｗにより、比較的少ない入熱で、フランジ材の薄肉な外側周壁２６をその内側にあるコンバータケースの筒状端部１０ｂに対し溶着し、フランジ材２０Ａとコンバータケース１０とを連結できる。つまり、フランジ材の厚肉な内側周壁２５までもが溶融又は軟化するほどの入熱は必要ないので、内側周壁２６の内側において裏ビードが顕在化することはない。もし仮に接合領域に対し過度の入熱があり、コンバータケースの筒状端部１０ｂとフランジ材の内側周壁２５との間で溶着が生じたとしても、フランジ材の内側周壁２５はコンバータケースの筒状端部１０ｂよりも厚肉化されているため（ｔ１＞ｔ２）、よほどの入熱がない限りフランジ材の内側周壁２５の全体が溶融又は軟化することはなく、この意味でも内側周壁２５の内側において裏ビードが顕在化することはない。
【００３２】
このように本実施形態によれば、フランジ材２０Ａの短筒状端部２１を壁厚の異なる二つの周壁２５，２６による環状溝構成とすることにより、筒状端部同士の接合領域に対して外側から全周溶接を施したときも、製品の内側に裏ビードが発生するのを効果的に防止又は抑制することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明の溶接方法によれば、筒状端部を有する二つの中空部材の当該筒状端部同士を溶接する際に、中空部材内側への裏ビード発生を効果的に防止又は抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１中空部材の筒状端部及び当て部材の斜視図。
【図２】第１中空部材の筒状端部に当て部材を装着した状態の断面図。
【図３】第２中空部材を更に装着した状態の断面図。
【図４】溶接後に当て部材を取り外した状態の断面図。
【図５】完成品たるマニバータの概略正面図。
【図６】（Ａ）は第２実施形態の部分断面図、（Ｂ）は第３実施形態の部分断面図。
【図７】従来例における裏ビード発生の概要を示す断面図。
【符号の説明】
１０…コンバータケース（第１中空部材）、１０ｂ…コンバータケースの筒状端部、１１，１２…被収容物、１３…触媒担体、１４…マット状保持シール材（１３，１４は被収容物を構成する）、２０Ａ…フランジ材（第２中空部材）、２１…フランジ材の短筒状端部、２２…環状の段差部、２４…段差部２２よりも下側部位、２５…内側周壁、２６…外側周壁、２７…環状の嵌合溝、３０…円盤状の当て部材、３１…分割片、３３…外周当て面、Ｗ…溶接。
【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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