(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属部材と、その部材より融点が低い第２金属部材とを、これらに通電加熱及び加圧を行なう電気抵抗溶接により溶接する金属溶接方法であって、
前記第１金属部材がＦｅ系材料、前記第２金属部材がＡｌ系材料であり、
前記第１金属部材にＺｎ−Ａｌ共晶合金である第３金属部材を溶着することにより、Ｆｅ−Ｚｎ拡散層を介して前記第３金属部材が溶着された前記第１金属部材を得る第１工程と、
前記第１工程で得られた前記第１金属部材と前記第２金属部材とを前記電気抵抗溶接により溶接することで、前記第１金属部材と前記第２金属部材との接合部から前記第３金属部材を排出し、前記接合部にＦｅ−Ａｌ−Ｚｎの３元素系合金接合層を形成する第２工程と、
を備えたことを特徴とする金属溶接方法。
【請求項２】
第１金属部材と、その部材より融点が低い第２金属部材とが、これらに通電加熱及び加圧を行なう電気抵抗溶接により溶接された金属接合構造であって、
前記第１金属部材がＦｅ系材料、前記第２金属部材がＡｌ系材料であり、
前記第１金属部材は、予め、Ｚｎ−Ａｌ共晶合金である第３金属部材を溶着することにより、Ｆｅ−Ｚｎ拡散層を介して前記第３金属部材が溶着されたものであり、
前記電気抵抗溶接により、前記第１金属部材と前記第２金属部材との接合部から前記第３金属部材が排出され、前記接合部にＦｅ−Ａｌ−Ｚｎの３元素系合金接合層が形成されたことを特徴とする金属接合構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属溶接方法及び金属接合構造に関し、例えば、異なる種類の金属に対して加熱及び加圧を施す電気抵抗溶接等によって接合する金属溶接方法及び金属接合構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば融点が異なる２種類の金属部材を、加熱及び加圧を施すことによって接合する技術が広く利用されており、このような金属接合技術の一例として電気抵抗溶接技術がある。この溶接技術は、異種類の金属同士を互いに当接させ、その当接状態において通電と加圧とを行うことにより、当該当接面における電気抵抗に起因する発熱を利用して両金属部材を接合する技術である。
【０００３】
特開平８−２９６４１６号には、このような電気抵抗溶接技術をシリンダヘッドとバルブシートとの接合に応用した技術が提案されている。シリンダヘッドとバルブシートとを電気抵抗溶接によって接合すると、従来の圧入による方法と比較してバルブシートの材質厚を薄くすることができると共に、シリンダヘッドの給排気ポートの開孔径を大きくすることができ、エンジン設計の自由度を大きく向上させる技術である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、軽合金系のシリンダヘッドとＦｅ系のバルブシートとの接合面は一般に脆いことが知られており、耐久性が要求される当該両部材の接合面としては強度不足となる可能性がある。
【０００５】
そこで本発明は、融点の異なる金属部材同士を高い接合強度で接合する金属溶接方法及び金属接合構造の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明に係る金属溶接方法は、以下の構成を特徴とする。
【０００７】
即ち、第１金属部材と、その部材より融点が低い第２金属部材とを、これらに通電加熱及び加圧を行なう電気抵抗溶接により溶接する金属溶接方法であって、前記第１金属部材がＦｅ系材料、前記第２金属部材がＡｌ系材料であり、前記第１金属部材にＺｎ−Ａｌ共晶合金である第３金属部材を溶着することにより、Ｆｅ−Ｚｎ拡散層を介して前記第３金属部材が溶着された前記第１金属部材を得る第１工程と、前記第１工程で得られた前記第１金属部材と前記第２金属部材とを前記電気抵抗溶接により溶接することで、前記第１金属部材と前記第２金属部材との接合部から前記第３金属部材を排出し、前記接合部にＦｅ−Ａｌ−Ｚｎの３元素系合金接合層を形成する第２工程と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明に係る金属接合構造は、以下の構成を特徴とする。
【００１０】
即ち、第１金属部材と、その部材より融点が低い第２金属部材とが、これらに通電加熱及び加圧を行なう電気抵抗溶接により溶接された金属接合構造であって、前記第１金属部材がＦｅ系材料、前記第２金属部材がＡｌ系材料であり、前記第１金属部材は、予め、Ｚｎ−Ａｌ共晶合金である第３金属部材を溶着することにより、Ｆｅ−Ｚｎ拡散層を介して前記第３金属部材が溶着されたものであり、前記電気抵抗溶接により、前記第１金属部材と前記第２金属部材との接合部から前記第３金属部材が排出され、前記接合部にＦｅ−Ａｌ−Ｚｎの３元素系合金接合層が形成されたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、一例としてエンジンのシリンダヘッドに設けられた給排気ポートの開孔部にバルブシートを溶接する場合に適用して、図面を参照して詳細に説明する。また、以下に説明する各実施形態では、溶接を行う際の加熱処理及び加圧処理の具体的な手段として所謂、電気抵抗溶接を採用する。
【００１２】
［第１の実施形態］
＜金属部材の接合方法＞
はじめに、第１の実施形態における金属部材の接合方法（溶接方法）について説明する。
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施形態における接合対象部位の要部断面図であり、シリンダヘッド２の吸排気用ポートの開口周縁部を示す。
【００１４】
同図に示すように、被溶接部材（第２金属部材）であるシリンダヘッド（以下、ヘッド）２の吸排気用ポート２ｂの開口周縁部、即ちエンジンの完成時にバルブ（不図示）が当接する位置には、後述する方法により、第１の金属部材であるリング状のバルブシート（以下、シート）３が、接合面２ａ（シート３の外周面３ａ及び３ｂ）において接合されている。ヘッド２には、図１に示すような吸排気用ポート２ｂが当該ヘッドの下側から見て略正方形状に複数設けられており、それらの各ポートの開口周縁部には、それぞれシート３が同図に示す如く接合される。
【００１５】
また、シート３の内周面には、不図示のバルブ上面の形状に合わせて図１の上方に向かって径が小さくなるテーパ状に形成されている。
【００１６】
本実施形態において、ヘッド２は、軽合金材料であるＡｌ系材料からなる金属部材である。また、シート３は、Ｆｅ系材料からなる金属部材（焼結材）であり、その内部には、高電気伝導率材料としてのＣｕ系材料が溶浸されている。
【００１７】
図２は、本発明の第１の実施形態におけるシリンダヘッドとバルブシートとの接合面の構造を示す拡大断面図であり、ヘッド２とシート３とは、後述する方法により、Ｚｎ，Ａｌ，Ｆｅを主に含む０．３μｍ程度の３元素系接合層（接合層１０）によって冶金学的に接合されている。
【００１８】
以下、上述した接合構造を実現するヘッド２とシート３との接合方法について詳細に説明する。尚、後述する製造工程では、生産性を考慮してヘッド２及びシート３の天地が図１に示す状態とは逆の状態で行われる。
【００１９】
図３は、本発明の第１の実施形態におけるバルブシートの接合前の形状を表わす断面図である。シート３の外周面３ａ及び３ｂは、同図に示すようにテーパ状に形成されており、外周面３ａは垂直方向に対してθ１、外周面３ｂは水平方向に対してθ２の角度を有する。これらの外周面３ａ及び３ｂは、接合時にヘッド２の開口周縁部２ａに当接される。ここで、シート３の内周面３ｃが図１に示す完成形状と異なるのは、後述する製造工程において当該シートの把持・解放、並びに押圧を容易にするためであり、図１に示す完成形状は、後工程（仕上げ工程）における一般的な切削及び研磨加工により得られる。
【００２０】
また、シート３の外周面３ａ及び３ｂには、ヘッド２との接合に先立って、図３には不図示のろう材層（ろう材層７）が溶着されている。このろう材層は、溶融状態のろう材にシート３を浸し、その状態のシート３に一般的な超音波メッキを施すことによって形成すれば良い。ここで、第３金属部材であるろう材は、約９５重量％のＺｎと、約５重量％の軽合金系の部材（本実施形態では、アルミニウム）とを含む共晶合金、或いはＣｕとアルミニウム等の軽合金系の部材との共晶合金であり、ろう材層７の融点は、シート３及びヘッド２よりも低い。
【００２１】
尚、本実施形態では、当該ろう材をシート３にのみ溶着するが、これに限られるものではなく、ヘッド２及びシート３の両方に当該ろう材を溶着してもよい。
【００２２】
次に、ろう材層でコートされたシート３をヘッド２の開口周縁部２ａに電気抵抗溶接によって接合する工程について説明する。
【００２３】
図４は、本発明の第１の実施形態におけるシリンダヘッドとバルブシートとの接合工程を説明する図である。
【００２４】
本実施形態においてヘッド２の開口周縁部２ａには、押圧及び通電が開始されたときに開口周縁部２ａとシート３の外周面との間に生じる熱拡散がそれら両部材間の当接面においてできるだけ均等に行われるように、即ち通電による温度上昇によってヘッド２側に局所的なヒートスポットが発生することを防止すべく、予めテーパが設けられている。接合工程においては、はじめに、このテーパ状の開口周縁部２ａに対して、予めろう材層でコートされたシート３を、図４（ａ）に示す如く当接させる。
【００２５】
次に、不図示の溶接電極によってシート３を図４（ｂ）に示す如く押圧すると共に、当該溶接電極への通電を行う。開口周縁部２ａとシート３の外周面３ａ及び３ｂとの接触面（当接面）には、電気的な抵抗が存在する。このため、通電状態が継続されることによって当該接触面は加熱状態となり、この加熱状態と加圧状態とが継続されることにより、シート３は、図４（ｃ）に示す状態まで埋没した状態でヘッド２に溶接される。
【００２６】
尚、後述する製造工程では、ヘッド２とシート３との接合をより良好に行うべく、上記の図４の接合工程を水中で、または接合部位近傍に注水を行いながら実行する（詳細は後述する）。
【００２７】
次に、図４に示す如く接合されるヘッド２とシート３との接合面における状態遷移について、図５及び図６を参照して説明する。
【００２８】
図５は、本発明の第１の実施形態におけるシリンダヘッドとバルブシートとの接合面の状態遷移を示す図である。また、図６は、本発明の第１の実施形態におけるシリンダヘッドとバルブシートとの接合面の組成を模式的に示す図である。
【００２９】
図５（ａ）は、共晶合金のろう材層７で覆われたシート３の接合対象部位（外周面３ａ及び３ｂに相当）の構造を表わしており、ろう材層７は、厚さが１μｍ以下の溶融反応層５を介してシート３に溶着されている。図６（ａ）は、ろう材層７で覆われたシート３の組成を示しており、溶融反応層５はＦｅ及びろう材層７から拡散したろう材成分からなる拡散層を形成している。即ち、溶融反応層５は、ろう材層７のＺｎ成分がバルブシート３側に拡散することにより形成されたＦｅ−Ｚｎからなる拡散層である。
【００３０】
次に、ろう材層７で覆われたシート３とヘッド２とが当接されると共に、図５には不図示の溶接電極による通電と加圧とが開始されると、図５（ｂ）に示すように、ろう材層７と、ヘッド２の接合対象部位（開口周縁部２ａ）とが溶融反応層６を介して接合され、これによりシート３とヘッド２とは、溶融反応層５及び６、並びにそれらの溶融反応層に挟まれるろう材層７を介して接合（液相拡散接合）された状態となる。このとき、溶融反応層５、ろう材層７、並びに溶融反応層６のトータルの厚さとしては、０．３〜１．０μｍ程度が好ましい。
【００３１】
図６（ｂ）は、図５（ｂ）に示す状態のときのシート３とヘッド２との接合部位の組成を示しており、シート３に溶着されていたろう材層７の下側には、ヘッド２が接合されることにより、Ａｌ及びろう材層７から拡散したろう材成分からなる拡散層（溶融反応層６）が更に形成されている。即ち、溶融反応層６は、ろう材層７のＺｎ成分が溶融状態でシリンダヘッド２側に液相拡散することにより形成されたＡｌ−Ｚｎからなる拡散層である。尚、ろう材層７の融点は、シート３及びヘッド２よりも低い。
【００３２】
ここで、図５（ｂ）及び図６（ｂ）に示す状態における拡散反応についてより詳しく説明する。本実施形態においてろう材層７は、上述したように約９５重量％のＺｎ成分と約５重量％のＡｌ成分との共晶組成からなる。このため、ろう材層７の融点は、約３８０℃と極めて低いため、通電開始から間もなく一斉に溶融する。そして、通電と加圧が継続されることにより、シート３とヘッド２との当接面も溶融を開始するため、図４（ｂ）に示すように、シート３の接合面部３ａと接合面部３ｂとの角部がヘッド２との嵌合面（開口周縁部２ａ）を塑性流動させながらシート３がヘッド２に埋め込まれていく。これにより、ヘッド２の接合面２ａに酸化被膜が形成されていたとしても、その酸化被膜を当該塑性流動によって破壊することができる。また、このとき、溶融したろう材のＺｎ成分は、ヘッド２側に液相拡散してＡｌ−Ｚｎからなる溶融反応層６が形成される。この拡散反応により、ヘッド２との接合部位側におけるろう材層７のＺｎ成分の割合は低下（Ａｌ成分の割合が増加）しているため、溶融反応層６の融点は５００℃程度以上まで高融点化しており、結果として凝固する。
【００３３】
次に、上述した溶融反応層６が形成された図５（ｂ）及び図６（ｂ）に示す状態から、更に通電と加圧を継続することにより、ろう材層７で未だ溶融状態にあるろう材、即ち溶融反応層６の形成に際して未反応だったろう材は、図５（ｃ）に示すように、シート３とヘッド２との接合面の間（溶融反応層５及び６の間）から、当該塑性流動によってヘッド２から剥離した当該酸化被膜の成分や汚れと共に排出される。図６（ｃ）は、この状態のときのシート３とヘッド２との接合部位の組成を示している。
【００３４】
次に、上述したろう材層７が排出された図５（ｃ）及び図６（ｃ）に示す状態から、更に通電と加圧を継続することにより、シート３側の溶融反応層５とヘッド２側の溶融反応層６との２つの反応層（拡散層）同士の拡散反応が行われ、結果として図５（ｄ）に示す接合層１０が形成される。図６（ｄ）は、接合層１０が形成されたときの状態を示しており、シート３とヘッド２との間には、溶融反応層５及び６を構成していたＦｅ，Ａｌ，Ｚｎの３元素系の合金層が形成される。
【００３５】
図７は、本発明の第１の実施形態におけるバルブシートとシリンダヘッドとの接合面の組成を示す図であり、横軸は接合面に対して垂直方向の位置を表わし、縦軸は個々の金属材料の成分比率を表わす（但し、当該接合面における各金属材料間の実際の含有割合の関係を示すグラフではない）。
【００３６】
同図に示すように、シート３とヘッド２との間には、接合層１０が形成されており、その接合層及びその近傍にはＦｅ，Ａｌ，Ｚｎの３元素系の合金層が形成されている。ここで、Ｃｕは、焼結材であるシート３内部の空孔に溶浸するために含有していたものである。
【００３７】
このように、上述した本実施形態に係る接合方法によれば、シート３とヘッド２とは、ろう材層７を介さずに接合層１０によって冶金学的に溶接される。これにより、シート３とヘッド２との接合面にＦｅ−Ａｌという脆い金属間化合物が生成されるのを防止することができ、Ｆｅ−Ａｌ−Ｚｎの３元素系合金層である接合層１０により、シート３とヘッド２との結合強度を非常に高くすることができる。
【００３８】
また、シート３に溶着したろう材層７及び溶融反応層５の厚さが１μｍ以下となるように超音波メッキを行った。これにより、溶融反応層５が形成されるときに、シート３側のＦｅ成分がろう材層７側に過度に拡散し、その結果として、形成された溶融反応層５に含まれるろう材成分の組成が、本来のろう材層７の共晶組成ないしその近傍組成から大きく外れるのを防止することができると共に、当該共晶組成ないしその近傍組成から外れたろう材成分が溶融反応層５に多く含まれるようになることを防止することができる。一般にＡｌ系のヘッド２の融点は、Ｆｅ系のシート３の融点より低い。このため、ヘッド２の形状を崩すこと無くシート３を溶接するためには、できるだけ短時間で溶接する必要が有るが、前述したように、本実施形態では、シート３とろう材層７との間に溶融反応層５が形成された後も、当該反応層に含まれるろう材成分の組成を、本来の共晶組成ないしその近傍組成のまま維持しておくことができるため、ヘッド２に対してシート３を接合するに際して、ろう材層７を溶融するための入熱量を最小限にすることができると共に、両部材の接合を短時間で行うことができ、シート３の変形やヘッド２の軟化を抑制することができ、酸化被膜の破壊効果やろう材の排出効果を有効に高めることができる。
【００３９】
また、シート３とヘッド２との接合に際して、ろう材層７のろう材成分がヘッド２側に拡散し、溶融反応層６を形成することにより、当該反応層の融点は５００℃程度以上まで高くなっているので、接合完了後は使用したろう材の融点以上の耐熱性を有することになる。
【００４０】
また、シート３の内部に、高電気伝導率のＣｕ系材料が溶浸されているので、焼結材であるシート３内部の空孔がＣｕ系材料で満たされている。このため、接合の際の加圧力によって当該空孔がつぶされることを防止することができ、ヘッド２の接合面２ａの加成流動、通電によるシート３内部の発熱の抑制、ろう材層７の溶融及び排出を効率的に行うことができる。
【００４１】
更に本実施形態では、後述する如くシート３とヘッド２とを水没させた状態で、或いは、接合対象部位近傍に注水（散水）しながら接合する。これらの接合方法のうち、注水しながら接合する場合においては、溶接電極への通電に伴って当該接合対象部位に注水された水が沸騰状態となることにより気泡が生じるが、上述したように、シート３の表面には予めろう材層７が形成されているため、その気泡を溶融したろう材と共に押し出すことができる。これにより、凝固後の接合層１０の内部にブローホール（気泡）が形成されるのを容易に防止することができる。
【００４２】
（接合対象部位の冷却）
ここで、シート３とヘッド２との接合時における冷却の効果について説明する。
【００４３】
本実施形態では、シート３とヘッド２とを上述した接合方法によって接合するに際して、その接合面の近傍を冷媒である水によって冷却すべく、図８または図９に示すように水中で、または接合対象部位近傍に注水することによって冷却する。このように、シート３及びヘッド２、そして溶接電極２４を冷却しながら接合することにより、以下に説明する特有の効果を得られる。
【００４４】
即ち、冷却水によって少なくともヘッド２を冷却することにより、ヘッド２に接触している水が、ヘッド２の温度を制御する冷媒として直接的に機能するため、接合面の温度制御が困難な空気中で接合させる場合と比較して、ヘッド２の過度な温度上昇を防止することができ、接合面の接合プロセスを最適な状態に容易に制御することができる。即ち、シート３と比較して溶融温度（融点）の低いヘッド２の不要な塑性変形を防止すると共に、シート３とヘッド２とを最適な強度で接合することができ、量産プロセスにおいては、接合部位の品質のばらつきを抑制することができる。
【００４５】
また、接合に際してシート３をも冷却することにより、ヘッド２に対して容積がかなり少なく、且つ熱容量が小さいシート３が、ヘッド２の接合面２ａに接合されるまでに過度に且つ急速に高温状態となることを防止することができ、当該シートの変形防止と、通電完了後の温度低下に起因する焼き入れ防止とを未然に実現することができる。
【００４６】
また、接合に際して溶接電極２４をも冷却することにより、当該電極の劣化の主な要因となる接合に伴う当該電極自体の大きな温度変化を冷却水によって少なくすることができ、シート３とヘッド２との接合部位に生じるバリとＣｕ製の溶接電極２４との合金化によって生じる当該電極の損耗を抑制することができる。従って、１本の溶接電極を量産プロセスにおいて長期間にわたって使用することができる。また、溶接電極２４とヘッド２との間に冷却水が存在するため、通電によって溶融した接合面２ａのアルミニウムが当該接合部位から飛散することも抑制されるため、その飛散したアルミニウムが電極２４の端部付近への溶着を防止することができる。
【００４７】
更に、シート３とヘッド２とを水没させた状態で接合させることにより、溶接電極を冷却するために当該電極内に水路を設ける必要が無い。これにより、後述する如く電極２４の内部にシート３を保持する機構を設けることができ、量産性を向上することができる。
【００４８】
＜金属接合装置＞
次に、上述した如くシート３とヘッド２とを接合する金属接合装置（リング部材溶接装置）について説明する。以下の説明では、当該金属接合装置の全体構成、溶接時の動作制御処理、その溶接時の通電及び加圧方法、並びにシート３を把持する把持機構について順に説明する。
【００４９】
（金属接合装置の全体構成）
図１０は、本発明の第１の実施形態における金属接合装置のシステム構成を示す図である。
【００５０】
同図に示す金属接合装置は、大別して、電気抵抗溶接ユニット２１、Ｘ−Ｙステージ２６、冷却水温調・循環制御ユニット３１、そして制御ユニット１００により構成されており、これら各コンポーネントは、制御ユニット１００によって動作を制御されている。また、当該各コンポーネントの移動に伴う位置検出や動作制御自体は一般的な手法を採用するものとし、以下の説明ではシステム全体の動作制御を中心に説明する。
【００５１】
電気抵抗溶接ユニット２１は、プラテン２３を介して取り付けられた溶接電極２４を、加圧シリンダ２２によって図１０に示すＺ方向に移動可能であると共に、不図示のアームによって回動可能である。また、溶接電極２４は、シート３を把持・解放する機構を備える（詳細は後述する）。
【００５２】
具体的な動作として、電気抵抗溶接ユニット２１は、溶接処理が開始されると、不図示のシート供給位置に溶接電極２４を移動させ、その位置にてシート３を把持する。そして電気抵抗溶接ユニット２１は、対象としているヘッド２の溶接位置（開口周縁部２ａ）に、シート３を把持したままの状態で溶接電極２４を移動させ、当該位置へのシート３の電気抵抗溶接を行う。
【００５３】
Ｘ−Ｙステージ２６は、冷却水で満たされた水槽２８を、図１０に示すＸ及びＹ方向に移動可能である。具体的な動作として、Ｘ−Ｙステージ２６は、溶接処理の開始に先立って、水槽２８を図１０に破線で示す所定位置（コンテナ供給・払出位置）に移動させ、その位置において複数のヘッド２がセットされたコンテナ２７が水槽２８内に不図示の移載装置によって移載されると、水槽２８を所定の溶接開始位置（Ｈ．Ｐ）に移動させる。尚、コンテナ２７には、溶接電極２４とペアとなる通電用の金属部材（不図示）を備える。
【００５４】
そしてＸ−Ｙステージ２６は、溶接処理が開始されると、電気抵抗溶接ユニット２１による１つのシート３の溶接が完了する度に、対象としているヘッド２の次の溶接位置（開口周縁部２ａ）が溶接電極２４の直下に位置するように水槽２８を移動させる動作を繰り返し行い、コンテナ２７内の全てのヘッド２にシート３が接合されると、Ｘ−Ｙステージ２６は、水槽２８を再び図１０に破線で示す所定位置に移動させる。
【００５５】
冷却水温調・循環制御ユニット３１は、Ｘ−Ｙステージ２６上のコンテナ２７内の冷却水を、伸縮可能な冷却水循環パイプ３０を介して循環させると共に温度調節することにより、所定の温度に維持する。
【００５６】
（溶接時の動作制御処理）
ここで、制御ユニット１００による動作制御について説明する。制御ユニット１００としては、コンピュータやＰＬＣ（プログラマブルコントローラ）等を採用すれば良く、それら制御装置の不図示のＣＰＵに、図１１及び図１２に示す制御処理を実現するソフトウエアを実行させれば良い。
【００５７】
図１１は、本発明の第１の実施形態における金属接合装置の動作制御処理を示すフローチャートである。ここで、制御ユニット１００には、溶接電極２４のＨ．Ｐ及びシート供給位置、そして、Ｘ−Ｙステージ２６のＨ．Ｐ、コンテナ供給・払出位置、そしてコンテナ内の複数のヘッド２がそれぞれ有する開口周縁部２ａを溶接電極２４の直下に配置させるための位置情報が予め記憶されている。尚、これらの情報は、電気抵抗溶接ユニット２１及びＸ−Ｙステージ２６に記憶しても良い。
【００５８】
同図において、ステップＳ１，ステップＳ２：図１０に破線で示すコンテナ供給・払出位置に位置するところの、コンテナ２７が載置された水槽２８を、予め設定されているＨ．Ｐに戻すようにＸ−Ｙステージ２６を制御する（ステップＳ１）と共に、溶接電極２４が当該シート供給位置にてシート３を把持し、そのシートを把持した状態で予め設定されているＨ．Ｐに戻るように電気抵抗溶接ユニット２１を制御する（ステップＳ２）。
【００５９】
ステップＳ３：溶接を行う準備が完了したか否か、即ちコンテナ２７が載置された水槽２８及び溶接電極２４が各自のＨ．Ｐに戻ったか否かを判断する。
【００６０】
ステップＳ４：ステップＳ３の判断でＹＥＳのとき（準備完了のとき）には、図１２を参照して後述する溶接処理を行う。
【００６１】
ステップＳ５：コンテナ２７内の全てのヘッド２の開口周縁部２ａに対してそれぞれシート３の溶接を完了したか否かを判断し、ＹＥＳ（全て完了）のときにはステップＳ８に進み、ＮＯ（未処理の開口周縁部２ａが有る）のときにはステップＳ６及びステップＳ７に進む。
【００６２】
ステップＳ６，ステップＳ７：ステップＳ５の判断でＮＯのときには、予め記憶している位置情報に従って、コンテナ２７内のヘッド２の次の溶接対象である開口周縁部２ａに水槽２８を移動させるようにＸ−Ｙステージ２６を制御する（ステップＳ６）と共に、溶接電極２４が当該シート供給位置にてシート３を把持し、そのシートを把持した状態で溶接電極２４のＨ．Ｐに戻るように電気抵抗溶接ユニット２１を制御する（ステップＳ７）。ステップＳ６及びステップＳ７の処理を終了したときには、ステップＳ３に戻る。
【００６３】
ステップＳ８：ステップＳ５の判断でＹＥＳのときには、コンテナ２７内の全てのヘッド２に対してシート３が接合されたことを表わすので、水槽２８を当該コンテナ供給・払出位置に移動させるようにＸ−Ｙステージ２６を制御し、リターンする。
【００６４】
その後、溶接処理が完了したコンテナ２７は、不図示の移載機構によって水槽２８から払い出され、仕上げ工程において、シート３の内周面部や上面部等に対して一般的な切削加工が施されることにより、図１に示した完成形状を得る。
【００６５】
図１２は、本発明の第１の実施形態における動作制御処理に含まれる溶接（電気抵抗溶接）処理の詳細を示すフローチャートであり、図１１のステップＳ４に相当する。
【００６６】
同図において、ステップＳ４１：シート３を把持した状態の溶接電極２４を−Ｚ方向に下降させるように、電気抵抗溶接ユニット２１の加圧シリンダ２２を制御する。
【００６７】
ステップＳ４２：溶接電極２４の下降によって今回の溶接対象である開口周縁部２ａにシート３が当接したら、通電動作と加圧動作とを電気抵抗溶接ユニット２１に開始させる。
【００６８】
ステップＳ４３，ステップＳ４４：通電動作と加圧動作とを開始して所定時間が経過したら（ステップＳ４３）、当該加圧動作は継続させたままの状態で、後述する間欠通電処理または通電規制処理を行う（ステップＳ４４）ように、電気抵抗溶接ユニット２１を制御する。ここで、所定時間は、シート３とヘッド２とが上述した如く冶金学的な溶融結合を完了するのに要する時間であり、予め設定しておく。
【００６９】
ステップＳ４５：間欠通電処理または通電規制処理を所定の期間にわたって行ったら、通電と加圧とを終了すべく、溶接電極２４を上昇させるように電気抵抗溶接ユニット２１を制御する。このとき、溶接電極２４に把持していたシート３を解放する方法としては２通り有り、溶接電極２４からシート３を解放してから上昇させる第１の方法と、他の方法として、シート３はヘッド２に対して接合されているので、その接合による強さより小さい抜起力でシート３が解放されるように予めシート３を溶接電極２４によって把持しておき、当該電極を上昇動作に伴って、把持していたシートが力学的に解放される第２の方法とが有る。何れの方法を採るかは、後述する溶接電極２４の機構に応じて決めれば良い。但し、できるだけ短時間で１工程を完了しなければならない量産プロセスにおいては、シート３の解放動作を敢えて行う必要の無い第２の方法が好ましい。
【００７０】
上述したように、本実施形態では、溶接電極２４がシート３の把持機構を備えており、且つ当該電極自体が不図示のアームと共に回動可能であるため、当該シート供給位置まで新たなシート３を取りに行くことができる。また、Ｘ−Ｙステージ２６は、複数のヘッド２の溶接対象部位を所定の溶接位置（溶接電極２４のＨ．Ｐの直下）に順次移動させることができる。このため、一般的な位置決め制御技術を基本として、制御ユニット１００によって電気抵抗溶接ユニット２１及びＸ−Ｙステージ２６を連携させて動作させるだけで、シート３とヘッド２とを高精度に接合できると共に、量産性を確保することができる。
【００７１】
（溶接時の通電及び加圧方法）
次に、溶接時の通電及び加圧方法について説明する。
【００７２】
図１３は、本発明の第１の実施形態における電気抵抗溶接時の通電及び加圧パターンを示す図である。また、図１４は、本発明の第１の実施形態における電気抵抗溶接時の通電パターンを実行したときのシリンダヘッドの温度変化を示す図である。
【００７３】
本実施形態では、シート３及びヘッド２に対する通電動作を、図１３及び図１４に示すようにパルス状に行う（通電のオン期間において約７０ｋＡの電流を通電し、オフ期間では０Ａとしている）ことによって間欠的に行う。このような手順で溶接電極２４に電流を流すのは、溶接完了後のシート３の温度を徐々に下げることにより、シート３の温度が急速に低下することによって当該シートが過度に硬化すること（所謂焼き入れ）を防止するためである。
【００７４】
この通電及び加圧パターンについてより具体的に説明する。本実施形態では、シート３を把持している溶接電極２４をヘッド２に当接させ、加圧シリンダ２２により加圧しつつ通電を開始する。このとき、所定の電流がシート３からヘッド２へと流れる。加圧力は、２９４２０Ｎ（３０００ｋｇｆ）程度が望ましい。そして、図１３に示すように、この加圧力を保持しながら、加圧開始から約１．５秒経過後に通電を開始することにより、ろう材層７を溶融させる。このときの電流値は、７０ｋＡ程度が望ましい。オン期間における通電時間は０．２５〜１秒であり、オフ期間は０．１〜０．５秒程度である。通電時のパルス数は３〜９パルス（図１３及び図１４では４パルス）が望ましい。尚、加圧開始から最初の電流パルスの通電開始までの時間及び最後のパルスの通電停止から加圧停止までの時間は１．５秒とした。
【００７５】
図１４には、このような間欠通電を行ったときのシート３の温度変化を示している。Ｆｅ素材料からなるシート３の熱容量はかなり小さいために、シート３の通電時の抵抗発熱による温度上昇が激しく、特にその上下方向（厚さ方向）中央部では、溶接電極２４やヘッド２への放熱が容易な上下端部と比較して放熱し難く、最初の電流パルスのオン期間においては接合完了後と比較してシート３及びヘッド２間の接触抵抗が高いこと起因して、抵抗発熱量も大きい。このため、シート３の上下方向中央部の温度は、その最初の電流パルスの通電停止時には変態点Ａ１以上の温度となっている。
【００７６】
この段階において、シート３は、ヘッド２に殆ど完全に埋め込まれた状態となっている（図４（ｃ）参照）ので、通電を完全に停止することも可能であるが、この場合、シート３は、変態点Ａ１以上の温度から急激に冷却されることになるので、その上下方向中央部には焼きが入って硬さが上昇してしまうことになる。
【００７７】
そこで、本実施形態では、温度が少し低下した時点で２回目の電流パルスを与える。このとき、シート３とヘッド２との間の治金的な接合は完了しており、シート３とヘッド２との間には、最初の電流パルスの通電時とは異なり接触抵抗が減少しているため、その接触抵抗の減少に応じて抵抗発熱量が減少し、当該両部材からの放熱も行われる。このため、２回目の電流パルスを、最初の電流パルスと同じ電流値としても大きな温度上昇は生じない。そして、３回目以降も同様な間欠通電を繰り返して行うことにより、シート３を徐々に冷却することができるため、シート３の硬さは殆ど上昇しない。このような間欠的な通電を行うことにより、本実施形態では、シート３の焼き入れを防止することができ、後工程である仕上げ工程において切削加工するときの加工性の悪化を防止することができる。また、切削加工されたシート３のバルブ当接面が硬すぎることによるバルブの摩耗を有効に抑制することができる。
【００７８】
また、本実施形態において、上述した間欠通電を行っているとき、加圧状態は最初の押圧開始時から同じ加圧力で継続させる。これは、溶融反応層６が完全に凝固冷却するまで同じ加圧力を保持することにより、シート３とヘッド２との熱膨張率が異なることによる接合面における当該両部材の剥離や割れを防止するためである。
【００７９】
尚、上記の図１３及び図１４に示す間欠通電では、同じパターンの電流パルスを複数回通電する方法としたが、これに限られるものではなく、最初の通電期間内でシート３とヘッド２との冶金学的な接合を完了させることができるのであれば、接合完了後は通電態様を徐々に規制する方法を採っても良い。より具体的に、図１５（ａ）に示すパターンでは、シート３とヘッド２との冶金学的な接合が完了した後は通電する電流を連続的に減少させている。また、図１５（ｂ）に示すパターンでは、シート３とヘッド２との冶金学的な接合が完了した後一旦通電を停止し、その後通電する電流を連続的に減少させている。そして、図１５（ｃ）に示すパターンでは、最初の電流パルスによってシート３とヘッド２との冶金学的な接合を完了させた後は、その最初の電流パルスより通電する電流値が小さい電流パルスを複数回通電している。また、図１５（ａ）から図１５（ｃ）に示す何れのパターンにおいても、図１３の場合と同様に所定の加圧力としている。
【００８０】
（シート把持機構）
次に、溶接電極２４のシート把持機構について説明する。本実施形態において、溶接電極２４は、シート３を先端部近傍において保持可能な保持機構を備える。具体的な機構については、以下に説明する３種類の機構が有る。
【００８１】
図１６及び図１７は、本発明の第１の実施形態としての溶接電極の構造を説明する図であり、当該電極の先端部近傍にコレットチャックを備える場合を示している。
【００８２】
図１６及び図１７において、溶接電極２４Ａの内部には、給排気穴２４Ａ−１から給排気される制御エア−に応じて動作するピストン２４Ａ−２と、そのピストンの動作と共に図１６の上下方向に移動可能なコレットチャック２４Ａ−３が設けられている。コレットチャック２４Ａ−３は、ピストン２４Ａ−２が上死点に位置するときには位置Ｈ１及びＨ２において広がった状態となり、シート３をその内周面にて把持することができる。また、コレットチャック２４Ａ−３は、ピストン２４Ａ−２が下死点に位置するとき、図１６及び図１７に破線で示すように先端部分がすぼまった状態となりシート３を解放またはセットすることができる。
【００８３】
また、図１８及び図１９は、本発明の第１の実施形態としての溶接電極の構造を説明する図であり、当該電極の先端部近傍から放出する空気によってシート３を保持する場合を示している。
【００８４】
図１８及び図１９において、溶接電極２４Ｂの内部には、冷却水の通水路２４Ｂ−１と、空気放出穴２４Ｂ−３から空気を放出させるための通気孔２４Ｂ−２が設けられている。溶接電極２４Ｂは、電気抵抗溶接ユニット２１の制御によって空気放出穴２４Ｂ−３から空気を放出することにより、シート３を位置Ｈ１及びＨ２において保持することができ、当該シートを解放またはセットするときには、空気放出穴２４Ｂ−３からの空気の放出を停止すればよい。
【００８５】
尚、通水路２４Ｂ−１は、溶接に際して溶接電極２４Ｂをも冷却水に水没させる場合には省略することができる。
【００８６】
更に、図２０及び図２１は、本発明の第１の実施形態としての溶接電極の構造を説明する図であり、当該電極の先端部近傍から放出する空気によってシート３を保持する場合を示している。
【００８７】
図２０及び図２１において、溶接電極２４Ｃの先端部には、サスペンションリング２４Ｃ−２が設けられており、そのサスペンションリングの復元力によってシート３の内周面に張力を与えることにより、当該シートを位置Ｈ１及びＨ２において把持することができる。この場合、把持しているシート３の解放及びセットに対する特別な制御動作は必要無い。
【００８８】
また、溶接電極２４Ｃの内部には、冷却水の通水路２４Ｃ−１が設けられているが、通水路２４Ｃ−１は、溶接に際して溶接電極２４Ｃをも冷却水に水没させる場合には省略することができる。
【００８９】
本実施形態に係る溶接電極２４としては、溶接電極２４Ａから２４Ｃの何れのタイプを採用しても良い。但し、上述した図１２の溶接処理のステップＳ４５において当該電極を上昇させるときに、溶接電極２４Ａの場合にはシート３の解放動作を行う必要が有る。また、溶接電極２４Ｂの場合には、通気孔２４Ｂ−２への空気の供給を停止することによってシート３を解放しても良いが、この時点ではシート３はヘッド２に対して接合されているので、その接合による強さより弱い強さでシート３が保持されるような空気を供給することにより、溶接電極２４Ｂの上昇に先立つシート３の解放動作を省略しても良い。また、溶接電極２４Ｃの場合には、シート３とヘッド２との接合による強さより弱い把持力のサスペンションリング２４Ｃ−２を採用することにより、当該電極の上昇動作に伴って、把持していたシートを力学的に解放すれば良い。
【００９０】
以上説明したように、本実施形態によれば、シート３とヘッド２とを短時間で且つ高い接合強度で溶接することができると共に、その溶接方法を量産プロセスにおいて容易に実現可能な金属接合装置が実現する。これにより、バルブシートをシリンダヘッドに圧入する一般的な方法と比較して当該シートを格段に小形化すること及び材質厚を薄くすることができるので、同一シリンダヘッドの隣接する給排気ポートの間隔を狭くしたリ、スロート径を大きくしたりする構造を採用することができ、エンジンの性能、信頼性及び設計の自由度を向上させることができる。
【００９１】
尚、第１の実施形態では、シート３の外周面に３ａ及び３ｂの２種類のテーパを設けたが、これに限られるものではなく、通電によって開口周縁部２ａとシート３の外周面との間に生じる熱拡散をより容易なものとするためには、ヘッド２の開口周縁部２ａに設けたテーパ面と、シート３の外周面に設けるテーパ面とが全体にわたって接触する形状としても良い。
【００９２】
また、本実施形態では、シート３を焼結により製造してその内部にＣｕ系材料を溶浸するようにしたが、シート３内部の密度がある程度確保されていれば、必ずしもＣｕ系材料を溶浸する必要はない。また、シート３を、焼結した後に鍛造を行って得られる焼結鍛造材とすることにより、シート３内部の空孔を無くしても良い。
【００９３】
また、本実施形態では、シート３及びヘッド２間の通電に伴う発熱により、ろう材層７におけるろう材成分の融点以上の温度への加熱を行い、これによりろう材層７を溶融させるようにしたが、これに限られるものではなく、高周波加熱等の局部加熱によってろう材層７を溶融させるようにしても良い。
【００９４】
また、本実施形態では、ろう材の材質を、Ｚｎが９５重量％のＺｎ−Ａｌ共晶合金としたが、共晶組成ないしその近傍組成（例えばＺｎが９２〜９８重量％からなるＺｎ−Ａｌ系合金としても良い。この場合、ろう材層７の融点を４００℃以下にすることができ、シート３の変形、ヘッド２の溶融もしくは軟化をより確実に防止することができ、シート３及びヘッド２の接合強度を有効に向上させることができる。
【００９５】
［第２の実施形態］
上述した第１の実施形態では、ヘッド２の接合面２ａに予めテーパを設けたが、本実施形態では、ヘッド２のシート３との接合部位にテーパを敢えて設けず、ヘッド２に給排気ポートを形成したときに形成された略直角なエッジを有する状態のままの場合について説明する。それ以外の構成については第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００９６】
図２２は、本発明の第２の実施形態におけるシリンダヘッドとバルブシートとの接合工程を説明する図であり、この図においても、図４と同様に溶接電極２４のシート保持機構の表現は省略している。
【００９７】
本実施形態では、図２２（ａ）に示すように、ヘッド２のシート３との接合部位は略直角なエッジを有する状態のままであり、このような形状のシート２に対して、シート３を当接させると共に、上述した通電動作と加圧動作とを行う（図２２（ｂ）参照）。このとき、シート３の接合面３ａと接合面３ｂとによりヘッド２を塑性流動させながらシート３がヘッド２に埋め込まれていく。こうして嵌合が完了すると、図２２（ｃ）に示すように、シート３がヘッド２に完全に埋め込まれた状態となり、冶金学的な接合が完了する。
【００９８】
このように、ヘッド２のシート３との接合部位にテーパを敢えて設けず、ヘッド２に給排気ポートを形成したときに形成された略直角なエッジを有する状態のままとすると、接合に際してシートが当接されたときに当該直角な部分にヒートスポットが現われるために局所的に溶融し易くなる。しかしながら、本実施形態では、図２２（ｃ）に示すように、接合時のヘッド２の塑性変形量が第１の実施形態で説明したヘッド２と比較して多いため、当該接合部位に酸化膜が付着している場合にも、その接合部位の塑性変形によって酸化膜をより効率良く除去することができ、酸化膜による悪影響を防止することができる。尚、図２２（ｃ）に示すように、接合時の塑性変形によって吸排気用ポート２ｂ内に突出するＡｌの量は第１の実施形態と比較して多くなるが、この突出部分は、第１の実施形態でも行う仕上げ工程において削り落とすことができ、当該突出部分を削り落とすための新たな仕上げ工程が発生することはない。従って、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様にシート３とヘッド２とを短時間で且つ高い接合強度で溶接することができると共に、更に第１の実施形態の場合と比較して、ヘッド２にテーパを設ける工程を省略することによる生産性の向上を図ることができる。
【００９９】
尚、上述した各実施形態では、溶接電極２４が所定位置にシート３を取に行くシステム構成としたが、当該電極はＺ方向の移動だけを行い、当該電極に対してシート３が外部より供給されるようなシステム構成としても良い。
【０１００】
また、冷媒は水に限られるものではなく、例えばアルカリ性のイオン水を使用すれば、Ｆｅ製のシートへの悪影響もなく、それらＡｌ製のヘッドの接合面（接合部位）への酸化膜の付着を防止することができるという効果が得られる。特に、このような特徴のあるアルカリ性のイオン水を、第１の実施形態で説明したテーパを有するヘッド２の冷媒として使用すれば、シート３との接合面に酸化膜が付着すること自体を殆ど防止することができるため、接合する際の塑性変形量が第２の実施形態で説明したヘッド２と比較して少なくても、酸化膜による悪影響を防止できる点で特に有効な冷媒となる。
【０１０１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、融点の異なる金属部材同士を高い接合強度で接合する金属溶接方法及び金属接合構造の提供が実現する。即ち、前記第１及び前記第２金属部材間にＦｅ−Ａｌ−Ｚｎの３元素系合金接合層が形成されるため、高い接合強度を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における接合対象部位の要部断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態におけるシリンダヘッドとバルブシートとの接合面の構造を示す拡大断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態におけるバルブシートの接合前の形状を表わす断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態におけるシリンダヘッドとバルブシートとの接合工程を説明する図である。
【図５】本発明の第１の実施形態におけるシリンダヘッドとバルブシートとの接合面の状態遷移を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態におけるシリンダヘッドとバルブシートとの接合面の組成を模式的に示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態におけるバルブシートとシリンダヘッドとの接合面の組成を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施形態におけるバルブシートとシリンダヘッドとの接合時の冷却の様子（水中で接合する場合）を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施形態におけるバルブシートとシリンダヘッドとの接合時の冷却の様子（接合対象部位に注水する場合）を示す図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態における金属接合装置のシステム構成を示す図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態における金属接合装置の動作制御処理を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第１の実施形態における動作制御処理に含まれる溶接処理の詳細を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の第１の実施形態における電気抵抗溶接時の通電及び加圧パターンを示す図である。
【図１４】本発明の第１の実施形態における電気抵抗溶接時の通電パターンを実行したときのシリンダヘッドの温度変化を示す図である。
【図１５】本発明の第１の実施形態における電気抵抗溶接時の通電及び加圧パターンの変形例を示す図である。
【図１６】本発明の第１の実施形態としての溶接電極の構造を説明する図である（コレットチャックの場合）。
【図１７】本発明の第１の実施形態としての溶接電極の構造を説明する図である（コレットチャックの場合）。
【図１８】本発明の第１の実施形態としての溶接電極の構造を説明する図である（エアーを放出する場合）。
【図１９】本発明の第１の実施形態としての溶接電極の構造を説明する図である（エアーを放出する場合）。
【図２０】本発明の第１の実施形態としての溶接電極の構造を説明する図である（サスペンションリングの場合）。
【図２１】本発明の第１の実施形態としての溶接電極の構造を説明する図である（サスペンションリングの場合）。
【図２２】本発明の第２の実施形態におけるシリンダヘッドとバルブシートとの接合工程を説明する図である。
【符号の説明】
２：シリンダヘッド，
２ａ：接合面，
２ｂ：給排気ポート，
３：バルブシート，
５，６：溶融反応層，
７：ろう材層，
１０：接合層，
２１：電気抵抗溶接ユニット，
２２：加圧シリンダ，
２３：プラテン，
２４，２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ：溶接電極，
２４Ａ−１：給排気穴，
２４Ａ−２：ピストン，
２４Ａ−３：コレットチャック，
２４Ｂ−１，２４Ｃ−１：通水路，
２４Ｂ−２：通気孔，
２４Ｂ−３：空気放出穴，
２４Ｃ−２：サスペンションリング，
２５：注水ノズル，
２６：Ｘ−Ｙステージ，
２７：コンテナ，
２８：水槽，
３０：冷却水循環パイプ，
３１：冷却水温調・循環制御ユニット，
【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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