(57)【要約】【課題】軽量且つ使用寿命の長い排気マニホールド接続構造を提供する。【解決手段】フェライト系ステンレス鋳鋼製の排気マニホールド１６と、オーステナイト系ステンレス鋳鋼製の過給機ハウジング１２とが、連結管１４により結合されている排気マニホールド接続構造１０であって、連結管１４が、排気マニホールド１６に一体的に形成されたマニホールド側連結管部１８と、過給機ハウジング１２に一体的に形成された過給機側連結管部２０と、それらマニホールド側連結管部１８と過給機側連結管部２０とを接続する接続部２２とからなり、その接続部２２を、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接のいずれかにより、ニッケル当量が６０以上である溶加材を用いて形成する。このようにすると、溶接時に割れが生じることもなく、溶接後も接続部の破断が生じにくく、長い使用寿命が得られる。また、フランジ等も不要となるので、軽量化が達成できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェライト系ステンレス鋳鋼製の排気マニホールドと、オーステナイト系ステンレス鋳鋼製の過給機ハウジングとが、連結管により結合されている排気マニホールド接続構造であって、
前記連結管は、
前記排気マニホールドに一体的に形成されたマニホールド側連結管部と、
前記過給機ハウジングに一体的に形成された過給機側連結管部と、
それらマニホールド側連結管部と過給機側連結管部とを接続する接続部とからなり、
該接続部が、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接のいずれかの方法により、ニッケル当量が６０以上である溶加材を用いて形成されていることを特徴とする排気マニホールド接続構造。
【請求項２】
請求項１に記載の排気マニホールド接続構造であって、
前記接続部における前記連結管の内面には、突出部が形成されていないか、形成されていてもその高さが２ｍｍ以下であることを特徴とする排気マニホールド接続構造。
【請求項３】
前記排気マニホールドおよび過給機ハウジングは、ともに、クロムが５〜２８重量％含まれていることを特徴とする請求項１または２に記載の排気マニホールド接続構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、連結管により過給機ハウジングが排気マニホールドに結合されている排気マニホールド接続構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
過給機を備える車両においては、エンジンの排気ガスを捕集する排気マニホールドと、過給機のハウジングとが連結管により接続される。この連結管は、排気マニホールドに一体的に形成されたマニホールド側連結管部と、過給機のハウジングに一体的に連結された過給機側連結管部とを有しており、それらが接続される構造が一般的である。これら、マニホールド側連結管部と過給機側連結管部は、従来は、それらに形成されたフランジがボルトにより互いに固定されることにより、接続されていた。しかし、フランジを形成して両接続部を接続する方法では、フランジの存在による全体重量の増加が問題となる。
【０００３】
そのため、フランジを形成せず、過給機側連結管部とマニホールド側連結管部とを摩擦圧接により接続する方法や（たとえば、特許文献１）、溶接により接続する方法が提案されている（たとえば、特許文献２）。また、排気マニホールドと過給機のハウジングと連結管とを一体鋳造することも提案されている（たとえば、特許文献３）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２４２５３９号公報
【特許文献２】
特開２００２−３０９２８号公報
【特許文献１】
実開昭５９−１８０８９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
過給機側連結管部とマニホールド側連結管部とを摩擦圧接により接続する方法は、圧接される両部材の材質が同一であることが必要であるが、過給機のハウジングには高温疲労強度が要求される一方、排気マニホールドには熱疲労強度が要求されるので、両部材の材質を同一としてしまうと、十分な疲労強度を得ることができないという問題があった。排気マニホールドと過給機のハウジングと連結管とを一体鋳造する場合にも、連結管の材質が一種類となるので、摩擦圧接の場合と同様に、十分な疲労強度を得ることができないという問題がある。また、一体鋳造の場合には、中子等が複雑な形状となるので、タービンハウジング部のホイールが入る部分の機械加工が困難であり、特に、ツインスクロール式のものなど、連結管の管路が内部にて複雑に仕切られる場合に、一体鋳造がほぼ不可能であるという問題がある。
【０００６】
一方、溶接により接合する場合には、過給機側連結管部とマニホールド側連結管部とを別の材質とすることができる。前述のように、過給機のハウジングには高温疲労強度が要求され、排気マニホールドには熱疲労強度が要求される。そこで、過給機のハウジングにオーステナイト系ステンレス鋳鋼を用い、排気マニホールドにフェライト系ステンレス鋳鋼を用いることが考えられる。しかし、オーステナイト系ステンレス鋳鋼製の過給機側連結管部の先端と、フェライト系ステンレス鋳鋼製のマニホールド側連結管部の先端を溶融させて両者を接合する場合、溶接時に割れが生じたり、溶接できたとしても、接続部に生じる破断により、寿命が不十分であるという問題もある。
【０００７】
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、軽量且つ使用寿命の長い排気マニホールド接続構造を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための第１発明は、フェライト系ステンレス鋳鋼製の排気マニホールドと、オーステナイト系ステンレス鋳鋼製の過給機ハウジングとが、連結管により結合されている排気マニホールド接続構造であって、前記連結管は、前記排気マニホールドに一体的に形成されたマニホールド側連結管部と、前記過給機ハウジングに一体的に形成された過給機側連結管部と、それらマニホールド側連結管部と過給機側連結管部とを接続する接続部とからなり、その接続部が、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接のいずれかの方法により、ニッケル当量が６０以上である溶加材を用いて形成されていることを特徴とする。
【０００９】
第２発明は、第１発明において、前記接続部における前記連結管の内面には、突出部が形成されていないか、形成されていてもその高さが２ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１０】
第３発明は、第１または第２発明において、前記排気マニホールドおよび過給機ハウジングは、ともに、クロムが５〜２８重量％含まれていることを特徴とする。
【００１１】
【発明の効果】
第１発明のように、接続部が、ニッケル当量が６０以上である溶加材を用いて溶接により形成されると、溶接時に割れが生じることもなく、また、溶接後も高強度にマニホールド側連結管部と過給機側連結管部とが接続されるので、接続部の破断が生じにくく、長い使用寿命が得られる。また、フランジ等の締結部材も不要となるので、軽量化が達成できる。
【００１２】
また、第１発明のマニホールド側連結管部と過給機側連結管部とをＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接のいずれかの方法により溶接すると、マニホールド側連結管部と過給機側連結管部との接続部における連結管内面に形成される突出部の高さを極めて小さくすることが容易となるので、第２発明のように、接続部における連結管の内面に、突出部が形成されていないか、形成されていてもその高さが２ｍｍ以下とすることが容易となる。第２発明のようにすると、連結管内の流体の通過がスムーズとなり、装置の性能向上に寄与する。
【００１３】
また、材料組成を第３発明のようにすれば、排気マニホールド、過給機ハウジング、および連結管は、高温域において良好な耐食性、耐酸化性を有する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の排気マニホールド接続構造１０の一例を示す図である。排気マニホールド接続構造１０は、過給機ハウジング１２が連結管１４により排気マニホールド１６に接続された構造であり、連結管１４は、排気マニホールド１６に一体的に形成されたマニホールド側連結管部１８と、過給機ハウジング１２に一体的に形成された過給機側連結管部２０とが接続部２２により接続された構造である。
【００１５】
排気マニホールド１６は、シリンダヘッド２４に取り付けられるフランジ２６と、そのフランジ２６により各排気孔に連通する枝管２８と、各枝管２８を集合させた集合管３０からなり、集合管３０にマニホールド側連結管部１８が連結されている。
【００１６】
過給機ハウジング１２およびそれに一体的に形成された過給機側連結管部２０は、鋳造により製造され、その材質は、過給機ハウジング１２に要求される耐熱条件から、オーステナイト系ステンレス鋳鋼が用いられる。オーステナイト系ステンレス鋳鋼であれば、特に組成に限定はないが、Ｃｒの割合は５〜２８％とすることが好ましい。Ｃｒの割合が少なすぎると耐食性、耐酸化性が不十分となり、また、多すぎると材料が脆化するからである。たとえば、過給機ハウジング１２の材質としては、ＪＩＳ  Ｇ  ５１２２に規定されているＳＣＨ１２、ＳＣＨ１３等を用いることができる。なお、ＳＣＨ１２、ＳＣＨ１３は、以下に示す組成を有する。
ＳＣＨ１２の組成（単位：重量％）
Ｃ：０．２０〜０．４０、Ｓｉ：２．００以下、Ｍｎ：２．００以下、Ｐ：０．０４以下、Ｓ：０．０４以下、Ｎｉ：８．００〜１２．００、Ｃｒ：１８．００〜２３．００、残部が実質的にＦｅ
ＳＣＨ１３の組成（単位：重量％）
Ｃ：０．２０〜０．５０、Ｓｉ：２．００以下、Ｍｎ：２．００以下、Ｐ：０．０４以下、Ｓ：０．０４以下、Ｎｉ：１１．００〜１４．００、Ｃｒ：２４．００〜２８．００、残部が実質的にＦｅ
【００１７】
排気マニホールド１６およびそれに一体的に形成されたマニホールド側連結管部１８も、鋳造により製造され、その材質は、排気マニホールド１６に要求される耐熱条件から、フェライト系ステンレス鋳鋼が用いられる。フェライト系ステンレス鋳鋼であれば、特に組成に限定はないが、Ｃｒの割合は、過給機ハウジング１２と同様の理由により、５〜２８％とすることが好ましい。たとえば、特開平５−３３１０５号公報に記載されているように、重量基準で、Ｃ：＜０．０６％、Ｓｉ：≦２．０％、Ｍｎ：≦１．０％、Ｐ：≦０．０４％、Ｓ：≦０．０４％、Ｃｒ：１５〜２２％、Ｎｂ：０．０１〜３．０％、Ｎ：０．０１〜０．１％、残部が実質的にＦｅからなる組成や、特開平４−３２５６５８号公報に記載されているように、重量％で、Ｃ：０．０６〜０．２％、Ｓｉ：０．４％未満、Ｍｎ：１．０％未満、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０４％以下、Ｃｒ：１５〜２２％、Ｎｂ：０．０１〜２．０％、Ｎ：０．０１％〜０．１％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成等を用いることができる。
【００１８】
図２（ａ）、（ｂ）は、ともに連結管１４の接続部２２付近の拡大断面図である。なお、接続部２２は、連結管１４の周方向の全部に形成されている。
【００１９】
図２（ａ）に示されるように、接続部２２は、連結管１４の内面（すなわちマニホールド側連結管部１８の内面または過給機側連結管部２０の内面）から突出する突出部２２ａ（いわゆる裏波）の突き出し高さｈ１が、２ｍｍ以下、好ましくは０．５ｍｍ以下とされるか、または、図２（ｂ）に示されるように、突出部２２ａが形成されないようにされる。また、連結管１４内面における接続部２２の幅ｄと上記突出部２２ａの突き出し高さｈ１との比ｄ／ｈ１は、６０以上とされることが好ましい。この比ｄ／ｈ１が６０以下であると、接続部２２に応力が集中しやすく、十分な強度を確保することが難しいからである。
【００２０】
次に、マニホールド側連結管部１８と過給機側連結管部２０との接続方法について説明する。マニホールド側連結管部１８と過給機側連結管部２０とは、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接のいずれかの方法により、ニッケル当量が６０以上の溶加材を用いて接合される。なお、ニッケル当量は、式１に示す式から算出される。
（式１）  ニッケル当量＝３０％Ｃ＋０．５％Ｍｎ＋％Ｎｉ
ここで、％Ｃ、％Ｍｎ、％Ｎｉは、それぞれ、溶加材中の炭素、マンガン、ニッケルの質量％である。
【００２１】
図３は、接続前の開先形状を示す図である。図３に示すように、接続前においては、マニホールド側連結管部１８の端部および過給機側連結管部２０の端部が、当接、または、接近して、断面Ｖ字状の開先形状を成し、開先の角度Ｒは、８０°〜１００°程度とされる。また、接続前において、開口端からＶ字断面の先端までの距離ｈ２は、０ｍｍ〜５ｍｍの範囲とされ、さらに、その先端から管内面までの距離、すなわちルート面高さｈ３は、１ｍｍ以下（好ましくは、実質的に０）に調整される。なお、開先形状は、図３のものに限定されず、たとえば、いわゆるインロー構造とすることもできる。インロー構造は、一方の管の開口部を他方の管の開口部に差し込み可能に構成する構造であり、この構造とすれば、接続位置の決定が確実となり、また、裏波を高くすることなく強固な接続を実現できる。
【００２２】
図４は、接続方法として、ＴＩＧ溶接を用いた場合を説明する図である。図４のように、ＴＩＧ溶接装置３２により、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中で、タングステン電極３４と、溶接対象部材であるマニホールド側連結管部１８および過給機側連結管部２０との間にアークを発生させつつ、溶加材としてニッケル当量６０以上の溶接ワイヤ３６を供給して、溶接箇所に溶融部３８を生じさせて、マニホールド側連結管部１８と過給機側連結管部２０とを溶接する。このＴＩＧ溶接によれば、図２に示す突出部２２ａの突き出し高さｈ１が極めて小さくなるように溶接することが容易である。従って、突出部２２ａの突き出し高さｈ１を所定値以下（たとえば、２ｍｍ以下）とするために行う溶接後の加工が、ほとんど必要ないか、または、必要であっても極めて容易となる。なお、ＴＩＧ溶接に代えて、ＭＩＧ溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接を用いても、ＴＩＧ溶接の場合と同様に、突出部２２ａの突き出し高さｈ１が極めて小さくなるように溶接することができる。
【００２３】
【実施例】
次に、本発明の実施例を説明する。以下の実施例は、溶接方法としてＴＩＧ溶接を用い、ニッケル当量が異なる種々の溶接ワイヤ３６により、マニホールド側連結管部１８と過給機側連結管部２０とを溶接し、溶接割れの確認、高温疲労試験、熱疲労試験を実施したものである。
溶接条件は、以下の通りである。
2005009368.tif 000003
【００２４】
また、溶接割れは、浸透探傷試験により確認し、高温疲労試験および熱疲労試験は以下に示す条件にて実施した。
［高温疲労試験］
温度：９００℃、荷重：２４５Ｊ（２５ｋｇｆ・ｍ）
５０００サイクル後  浸透探傷試験により破断の有無を確認
［熱疲労試験］
温度制御：１００℃から９００℃まで、１００秒で昇温し、９００℃にて３０秒保持、その後、２１０秒で１００℃まで降温し、１００℃にて３０秒保持。
拘束率：１００％
５００サイクル後  実体顕微鏡により割れの有無を確認
【００２５】
各溶接ワイヤ３６、マニホールド側連結管部１８、および過給機側連結管部２０の組成を表１に、実験結果を表２に示す。
【表１】
2005009368.tif 000004
【表２】
2005009368.tif 000005
【００２６】
表２に示されるように、ニッケル当量が６０以上であるＡ，Ｂ，Ｃは、溶接割れ、高温疲労試験、熱疲労試験とも問題なしであるが、ニッケル当量が６０以下であるＤ〜Ｈは、溶接割れ、高温疲労試験、熱疲労試験の少なくとも一つにおいて問題があった。
【００２７】
上述のように、接続部２２が、ニッケル当量が６０以上である溶接ワイヤ３６（溶加材）を用いて溶接により形成されると、溶接時に割れが生じることもなく、また、溶接後も高強度にマニホールド側連結管部１８と過給機側連結管部２０とが接続されるので、接続部２２の破断が生じにくく、長い使用寿命が得られる。また、フランジ等の締結部材も不要となるので、軽量化が達成できる。
【００２８】
また、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接のいずれかの方法を用いるので、接続部２２における連結管１４内面に形成される突出部２２ａの突き出し高さｈ１を極めて小さくすることが容易となるので、その突出部２２ａが形成されないか、形成されてもその高さｈ１が２ｍｍ以下となるようにすることが容易となる。
【００２９】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更を加えて実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排気マニホールド接続構造の一例を示す図である。
【図２】図１の連結管の接続部付近の拡大断面図である。
【図３】接続前の開先形状を示す図である。
【図４】接続方法として、ＴＩＧ溶接を用いた場合を説明する図である。
【符号の説明】
１０：排気マニホールド接続構造
１２：過給機ハウジング
１４：連結管
１６：排気マニホールド
１８：マニホールド側連結管部
２０：過給機側連結管部
２２：接続部
２２ａ：突出部
【図１】
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【図２】
2005009368.tif 000007
【図３】
2005009368.tif 000008
【図４】
2005009368.tif 000009