(57)【要約】【課題】溶接割れを抑制し、ロバスト性を向上させることのできる異種金属溶接方法、及び溶接割れを抑制した高品質な異種金属接合体を提供すること。【解決手段】ターボチャージャ１のロータ軸２とタービン翼車４の突き合わせ部分を１度全周に亘って電子ビームを照射する第１の溶接を終えた後に、ビーム照射位置を変位させて再度全周に亘って電子ビームを照射する第２の溶接を行う。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属材と該第１の金属材よりも耐熱性の高い第２の金属材とを溶接する異種金属溶接方法であって、
前記第１の金属材と前記第２の金属材とを突き合わせた部分を電子ビームまたはレーザビームの照射により溶接する第１の溶接工程と、
前記第１の溶接工程におけるビーム照射位置よりも前記第２の金属材側に変位させたビーム照射位置に電子ビームまたはレーザビームを照射することで、前記第１の溶接工程で形成された第１の溶接金属と前記第２の金属材との境界面を含んで溶融した第２の溶接金属を形成する第２の溶接工程とを含むことを特徴とする異種金属溶接方法。
【請求項２】
前記第１の溶接工程におけるビーム照射位置は、前記第１の金属材と前記第２の金属材とを突き合わせた境界面よりも第２の金属材側であることを特徴とする請求項１記載の異種金属溶接方法。
【請求項３】
前記第１の金属材はターボチャージャのロータ軸であり、前記第２の金属材はターボチャージャのタービン翼車であることを特徴とする請求項１または２記載の異種金属溶接方法。
【請求項４】
第１の金属材と該第１の金属材よりも耐熱性の高い第２の金属材とを溶接して形成される異種金属接合体であって、
前記第１の金属材と前記第２の金属材とを突き合わせた部分を電子ビームまたはレーザビームの照射により溶接して形成された第１の溶接金属と、
前記第１の溶接金属を形成した際のビーム照射位置よりも前記第２の金属材側に変位させたビーム照射位置に電子ビームまたはレーザビームを照射することで、前記第１の溶接金属と前記第２の金属材との境界面を含んで溶融して形成された第２の溶接金属と、
を備えることを特徴とする異種金属接合体。
【請求項５】
前記第１の溶接金属を形成した際のビーム照射位置は、前記第１の金属材と前記第２の金属材とを突き合わせた境界面よりも第２の金属材側であることを特徴とする請求項４記載の異種金属接合体。
【請求項６】
前記第１の金属材はターボチャージャのロータ軸であり、前記第２の金属材はターボチャージャのタービン翼車であることを特徴とする請求項４または５記載の異種金属接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低合金鋼等の第１の金属材と、当該第１の金属材よりも耐熱性の高い第２の金属材とを溶接する異種金属溶接方法、及び当該第１の金属材及び第２の金属材を溶接した異種金属接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、耐熱性に優れた金属材は割れ感受性が高い。例えば、耐熱性に優れた金属材としてニッケル（Ｎｉ）基超合金があるが、Ｎｉ基超合金は添加元素量が多いほど割れ感受性が高く、異種金属との溶接時に溶接位置の誤差等により溶接割れが生じる等、ロバスト性が低いという問題がある。
具体的にＮｉ基超合金を使用する部材としては、車両の内燃機関に搭載されるターボチャージャがある。当該ターボチャージャでは、排気通路に配設され高熱に晒されるタービン翼車にＮｉ基超合金を用いており、当該タービン翼車は低合金鋼からなるロータ軸と溶接により接合されている。
【０００３】
タービン翼車及びロータ軸の溶接方法としては、タービン翼車（ホイール）とロータ軸（シャフト）とを第１次電子ビームの照射によって溶接固着し、その後に第１次電子ビームによる溶接部の表面を覆うように第２次電子ビームを再照射してビード表面を平滑にするものが開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−６８３８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に係る技術では、第１次電子ビームによる溶接固着の際にビーム照射位置に誤差が生じて、狙った位置に電子ビームが照射されなかった場合等に溶接割れが生じるおそれがある。当該溶接割れは、溶接金属とＮｉ基金属との境界部分に生じやすく、溶接割れが生じると継手の引っ張り強度を低下させるという問題がある。
特許文献１のように、第２次電子ビームにより表面を平滑にできたとしても、溶接割れ部材の内側に生じる溶接割れを改善できるものではない。
【０００６】
また、近年では車両の排気浄化性能を向上させるために排気温度をより高くする場合があり、ターボチャージャに関してもより高温に耐えうるタービン翼車を備えたターボチャージャが望まれている。耐熱性を高めるにはＮｉ基超合金の添加元素量を増加すればよいが、一方で添加元素量が増加するほど溶接時の割れ感受性は上昇する。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、割れ感受性の高い耐熱性の金属材と低合金鋼等の金属材との異種金属間の溶接において、溶接割れを抑制し、ロバスト性を向上させることのできる異種金属溶接方法、及び溶接割れを抑制した高品質な異種金属接合体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した目的を達成するために、請求項１の異種金属溶接方法では、第１の金属材と該第１の金属材よりも耐熱性の高い第２の金属材とを溶接する異種金属溶接方法であって、前記第１の金属材と前記第２の金属材とを突き合わせた部分を電子ビームまたはレーザビームの照射により溶接する第１の溶接工程と、前記第１の溶接工程におけるビーム照射位置よりも前記第２の金属材側に変位させたビーム照射位置に電子ビームまたはレーザビームを照射することで、前記第１の溶接工程で形成された第１の溶接金属と前記第２の金属材との境界面を含んで溶融した第２の溶接金属を形成する第２の溶接工程とを含むことを特徴としている。
【０００８】
請求項２の異種金属溶接方法では、前記第１の溶接工程におけるビーム照射位置は、前記第１の金属材と前記第２の金属材とを突き合わせた境界面よりも第２の金属材側であることを特徴としている。
請求項３の異種金属溶接方法では、前記第１の金属材はターボチャージャのロータ軸であり、前記第２の金属材はターボチャージャのタービン翼車であることを特徴としている。
【０００９】
請求項４の異種金属接合体では、第１の金属材と該第１の金属材よりも耐熱性の高い第２の金属材とを溶接して形成される異種金属接合体であって、前記第１の金属材と前記第２の金属材とを突き合わせた部分を電子ビームまたはレーザビームの照射により溶接して形成された第１の溶接金属と、前記第１の溶接金属を形成した際のビーム照射位置よりも前記第２の金属材側に変位させたビーム照射位置に電子ビームまたはレーザビームを照射することで、前記第１の溶接金属と前記第２の金属材との境界面を含んで溶融して形成された第２の溶接金属と、を備えることを特徴としている。
【００１０】
請求項５の異種金属接合体では、前記第１の溶接金属を形成した際のビーム照射位置は、前記第１の金属材と前記第２の金属材とを突き合わせた境界面よりも第２の金属材側であることを特徴としている。
請求項６の異種金属接合体では、前記第１の金属材はターボチャージャのロータ軸であり、前記第２の金属材はターボチャージャのタービン翼車であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
上記手段を用いる本発明の異種金属溶接方法によれば、第１の溶接工程により溶接割れが生じたとしても、第２の溶接工程により当該溶接割れを含めて溶融する。当該第２の溶接工程のビーム照射位置は第１の溶接工程におけるビーム照射位置よりも第２の金属材側であることで、溶接割れしにくく、これにより溶接割れを抑制しロバスト性の高い異種金属溶接を行うことができる。
【００１２】
上記手段を用いる本発明の異種金属接合体によれば、第１の金属材と第２の金属材の突き合わせ部分を溶接して形成された第１の溶接金属と、当該第１の溶接金属を形成した際のビーム照射位置よりも第２の金属側に変位させたビーム照射位置において溶接して形成された第２の溶接金属とを備えることで、第１の溶接金属が形成された際に溶接割れが生じたとしても、当該溶接割れは第２の溶接金属を形成する際の溶接時に溶融される。第２の溶接金属は、第１の溶接金属を形成した際のビーム照射位置よりも第２の金属材側に変位したビーム照射位置で形成されるため、溶接割れしにくく、これにより溶接割れなく継手強度が確保された高品質な異種金属接合体とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る異種金属接合体であるターボチャージャを示す概略構成図である。
【図２】溶接前における図１の溶接部分を示した要部断面図である。
【図３】第１の溶接後における図１の溶接部分を示した要部断面図である。
【図４】第２の溶接後における図１の溶接部分を示した要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると、本発明に係る異種金属接合体であるターボチャージャの一部を示す概略構成図が示されている。
図１に示すターボチャージャ１は、低合金鋼からなるロータ軸２（第１の金属材）の一端に、当該ロータ軸２よりも耐熱性の高い金属からなるタービン翼車４（第２の金属材）が設けられている。なお、図示しないが、ロータ軸２の他端部にはコンプレッサ翼車が設けられている。このように構成されたターボチャージャ１は車両の内燃機関に搭載され、排気通路にタービン翼車４が、吸気通路にコンプレッサ翼車が配設される。このような構成から、排気流によってタービン翼車４が回転し、当該回転がロータ軸２を介してコンプレッサ翼車に伝達されることでコンプレッサ翼車が回転して、吸気を圧縮する。
【００１５】
ロータ軸２は、例えば鉄鋼材料、好ましくはＣｒＭｏ鋼等の低合金鋼が使用された軸部材である。一方、タービン翼車４は、高温の排気に耐えうるよう耐熱性の高い金属、例えばインコネル等のＮｉ基超合金からなる耐熱金属、好ましくはさらに添加元素量の多いＭａｒＭ合金が使用された翼車部材である。
ロータ軸２の一側の端面には、中央部分が突出した凸部２ａが形成されている。当該凸部２ａに対応し、タービン翼車４の端面には環状の突出部を有した凹部４ａが形成されている。このロータ軸２の凸部２ａ及びタービン翼車４の凹部４ａが嵌め合い、いわゆるインロー継手をなしている。そして、当該凸部２ａと凹部４ａとの外周部分であって互いに突き合わされている部分が溶接されて、異種金属接合体としてのターボチャージャ１が形成されている。
【００１６】
このロータ軸２とタービン翼車４との溶接は、凸部２ａを凹部４ａに嵌合した状態で、ロータ軸２及びタービン翼車４をロータ軸２周りに回転させながら、突き合わせ部分に電子ビームを照射して行う。特に本発明では、１度全周に亘って電子ビームを照射する第１の溶接（第１の溶接工程）を終えた後に、ビーム照射位置を変位させて再度全周に亘って電子ビームを照射する第２の溶接（第２の溶接工程）を行う。
【００１７】
以下、この本発明に係る異種金属溶接方法について詳しく説明する。
図２〜図４を参照すると、それぞれ図１の溶接部分を示した要部断面図が示されており、図２では溶接前、図３には第１の溶接後、図４には第２の溶接後の状態が示されている。
まず、図２に示すように、溶接前においては、ロータ軸２の一側の端面周縁部とタービン翼車４の凹部４ａの環状突出部端面とが突き合わされて、タービン軸２の軸方向（以下、軸方向という）に垂直な境界面Ｆが形成されている。
【００１８】
第１の溶接では、図２の矢印Ｗ１で示すように、突き合わせの境界面Ｆより軸方向に沿って僅かにタービン翼車側（以下、翼車側という）の位置、例えば境界面Ｆより０．１ｍｍ翼車側の位置を、第１のビーム照射位置Ｗ１とする。そして、当該ロータ軸２及びタービン翼車４をロータ軸２周りに回転させながら、図示しない電子銃より当該第１のビーム照射位置Ｗ１に向けて電子ビームを照射することで、突き合わせた部分の全周を溶接する。
【００１９】
当該第１の溶接後は、図３に示すように、第１のビーム照射位置Ｗ１に向けての電子ビーム照射により、境界面Ｆを含んでロータ軸２及びタービン翼車４が溶融した第１の溶接金属６が形成される。当該第１の溶接金属６の断面形状は、第１のビーム照射位置を中心とし、表面側が広く、ロータ軸２の軸心に向かうにつれて細くなり、少なくとも境界面Ｆを全て含む深さまで延びている。また、第１の溶接金属６は、ロータ軸２とタービン翼車４とが溶融したものであることから、低合金鋼及び耐熱金属を含んだ金属である。この第１の溶接金属６とタービン翼車４とはＮｉの含有量の差が大きく、その融点の差が大きい場合、図３に示すように境界部分において溶接割れが生じやすい。
【００２０】
続いて、第２の溶接として、第１のビーム照射位置Ｗ１よりも翼車側に所定量（例えば０．２ｍｍ）変位させた第２のビーム照射位置Ｗ２に向けて電子ビームを照射する。なお、当該第２の溶接は、ビーム照射位置以外の各種溶接条件を第１の溶接と同じにすることで溶接作業の簡略化を図ることができる。また、好ましくは、第２のビーム照射による変形を低減させる目的で、第２のビームの溶け込みを図３に示す溶接割れを再溶融させる分だけに減らすよう、各種溶接条件を設定してもよい。
【００２１】
当該第２の溶接では、第２のビーム照射位置Ｗ２への電子ビームの照射により、第１の溶接金属６とタービン翼車４との境界部分を含み、第１の溶接金属６及びタービン翼車４が溶融される。つまり、第１の溶接後に第１の溶接金属６とタービン翼車４との境界部分に溶接割れが生じている場合でも、当該溶接割れは第２の溶接により溶融される。
こうして、第２の溶接後は、図４に示すように、第１の溶接金属６の翼車側と重複して第２の溶接金属８が形成される。当該第２の溶接金属８の断面形状は、第１の溶接とビーム照射位置以外の各種溶接条件が同じであるため、第１の溶接金属６と断面形状がほぼ同形をなしている。これにより、当該第２の溶接後のターボチャージャ１の溶接部分表面には、第１の溶接金属６の翼車側に第２の溶接金属８が重なった２列のビードが形成されることとなる。
【００２２】
このロータ軸２とタービン翼車４との溶接部分における金属成分は、軸方向に沿ってロータ軸側から翼車側へと順に、ロータ軸２の低合金鋼のみからなる領域、第１の溶接金属６のみからなる領域、第１の溶接金属６及び第２の溶接金属８が混合している領域、第２の溶接金属８のみからなる領域、タービン翼車４の耐熱金属のみからなる領域が分布することとなる。
【００２３】
第２の溶接は第１の溶接金属６とタービン翼車４とを溶融していることから、少なくとも第１の溶接金属６よりもＮｉの含有量は多くなり、ロータ軸側から翼車側に向かうにつれてＮｉの含有量が徐々に増加することとなる。
したがって、第２の溶接金属８とタービン翼車４との境界部分におけるＮｉ含有量の差は小さくなり、融点の差が小さくなることから第２の溶接による溶接割れは抑制される。
【００２４】
以上のようにして、本発明に係る異種金属溶接方法では、ロータ軸２とタービン翼車４との突き合わせ部分を第１の溶接により溶接割れが生じたとしても、第２の溶接により当該溶接割れを含めて溶融する。当該第２の溶接のビーム照射位置Ｗ２は第１の溶接におけるビーム照射位置Ｗ１よりも翼車側に変位させていることで溶接割れしにくく、これにより、溶接割れを抑制しロバスト性の高い異種金属溶接を行うことができる。
【００２５】
そして、上記方法により形成された第１の溶接金属６及び第２の溶接金属８を備えたターボチャージャ１は、溶接割れがなく継手強度の確保された、高品質な異種金属接合体となる。このようにタービン翼車４に耐熱性の高い金属を使用したターボチャージャ１を製造できることで、高熱の排気を排出する内燃機関にも適用することができる。
また、第１の溶接におけるビーム照射位置Ｗ１の時点で、ビーム照射位置Ｗ１が突き合わせ境界面Ｆよりも翼車側であることで、当該境界面Ｆを溶接しつつ第１の溶接金属６のＮｉ含有量を比較的多くすることができ、第１の溶接の時点から溶接割れを抑制することができる。
【００２６】
以上で本発明に係る異種金属溶接方法及び異種金属接合体の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では、第１の溶接及び第２の溶接は電子ビーム溶接であるが、当該溶接は電子ビーム溶接に限られず、レーザビーム溶接であっても構わない。
また、上記実施形態では、ロータ軸（第１の金属材）の低合金鋼としてＣｒＭｏ鋼、タービン翼車（第２の金属材）の耐熱金属としてＭａｒＭ合金を使用しているが、第１の金属材及び第２の金属材はこれに限られるものではなく、例えば耐熱金属としてIncone713C等を用いても構わない。
【００２７】
また、上記実施形態では、第１の溶接におけるビーム照射位置は境界面Ｆから０．１ｍｍ翼車側の位置とし、第２の溶接におけるビーム照射位置は第１の溶接におけるビーム照射位置より０．２ｍｍ翼車側に変位させた位置としているが、当該第１の溶接及び第２の溶接におけるビーム照射位置はこれに限られるものではない。例えば、第１の溶接は突き合わせ部分を全て含んで溶接できればよく、このビーム照射位置は境界面Ｆであってもよいし、境界面Ｆよりロータ軸側であっても構わない。また、第２の溶接におけるビーム照射位置は、溶接割れが生じやすい第１の溶接金属及び第２の金属材との境界部分を含んで溶接できる範囲で、第１の溶接におけるビーム照射位置より翼車側であればよい。
【符号の説明】
【００２８】
１  ターボチャージャ（異種金属接合体）
２  ロータ軸（第１の金属材）
２ａ  凸部
４  タービン翼車（第２の金属材）
４ａ  凹部
６  第１の溶接金属
８  第２の溶接金属
Ｆ  境界面
Ｗ１  第１のビーム照射位置
Ｗ２  第２のビーム照射位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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