(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鍔部と首部とよりなり両者の内部に設けられ少なくとも首部の端部に開口させた挿入用穴を有し且つ磁性材料よりなるフランジ部と，上記挿入用穴内に挿入した耐摩耗性金属材料よりなる軸部とからなる溶接重ね継手を製造する方法であって，
上記フランジ部の上記挿入用穴内に上記軸部を挿入して上記首部の外周部にレーザを照射して上記フランジ部と軸部とをレーザ溶接することを特徴とする溶接重ね継手の製造方法。
【請求項２】
請求項１において，上記磁性材料は，けい素鋼，Ｎｉ系合金鋼又はフェライト系ステンレス鋼からなることを特徴とする溶接重ね継手の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２において，上記耐摩耗性金属材料は，合金工具鋼，高速度工具鋼又はマルテンサイト系ステンレス鋼からなることを特徴とする溶接重ね継手の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項において，上記レーザ溶接によって生じた溶融部における，上記フランジ部の磁性材料の同一断面上での面積を示すＡと上記軸部の耐摩耗性金属材料の同一断面上での面積を示すＢとによって構成される希釈率（Ｂ／（Ａ＋Ｂ）×１００％）は，１５〜４５％であることを特徴とする溶接重ね継手の製造方法。
【請求項５】
鍔部と首部とよりなり両者の内部に設けられ少なくとも首部の端部に開口させた挿入用穴を有し且つ磁性材料よりなるフランジ部と，上記挿入用穴内に挿入した耐摩耗性金属材料よりなる軸部とからなる溶接重ね継手であって，
上記フランジ部と軸部とは，上記首部の外周部がレーザ溶接された溶融部において接合されていることを特徴とする溶接重ね継手。
【請求項６】
請求項５の発明において，上記磁性材料は，けい素鋼，Ｎｉ系合金鋼又はフェライト系ステンレス鋼からなることを特徴とする溶接重ね継手。
【請求項７】
請求項５又は６において，上記耐摩耗性金属材料は，合金工具鋼，高速度工具鋼又はマルテンサイト系ステンレス鋼からなることを特徴とする溶接重ね継手。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項において，上記溶融部における，上記フランジ部の磁性材料の同一断面上での面積を示すＡと上記軸部の耐摩耗性金属材料の同一断面上での面積を示すＢとによって構成される希釈率（Ｂ／（Ａ＋Ｂ）×１００％）は，１５〜４５％であることを特徴とする溶接重ね継手。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は，レーザ照射によりフランジ部と軸部とを溶接した溶接重ね継手及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
高炭素鋼を溶接するに当たり，レーザ溶接などの高エネルギ熱源を用いて溶融溶接を行う方法がある。この溶融溶接では，溶融凝固時に発生する収縮応力や材料組成的な影響により，焼き割れや収縮割れなどが発生する。従来，かかる問題点を解決するためにレーザ溶接時のエネルギを低く抑える方法や溶接施工前後に予熱や後熱処理を行い，溶接部の硬化を防止することによって，高炭素鋼の溶接性がある程度改善されることが知られている。また，低炭素鋼を溶接時に添加し，溶接金属の硬化を防止する方法が知られている。
【０００３】
また，レーザ溶接を行って２部材からなる継手を製造する方法が開示されている。例えば，フランジ部の内部に挿入用穴を設け，その中に軸部を挿入して，フランジ部の平面部に対してレーザを照射することにより，平面部と軸部とを溶接する平面重ね合わせ継手を製造する方法（図５，図６参照）が知られている。
また，継手のフランジ部の挿入用穴内部に軸部を挿入して，フランジ部と軸部との境界部をレーザ照射して，フランジ部と軸部とを溶接する突合わせ継手を製造する方法（図７，図８参照）が知られている。
【０００４】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来の溶接時のエネルギを抑制する方法，予熱・後熱処理を行う方法においても，異種金属材料の組み合わせでは，溶融部における割れを防止する効果が少ない傾向にある。
【０００５】
また，レーザ溶接を利用して製造される重ね継手では，溶接時に生じる溶融部の収縮応力は緩和されず，図１４に示すごとく，２部材９１，９２の溶接による溶融部９３における溶接界面９４で割れ９５が発生する場合がある。割れ９５は，溶融部９３の急速急冷による凝固によって，異種材料からなる２部材９１，９２を引き離す方向に収縮応力が働くためであると考えられる。
【０００６】
そこで，突合わせ継手に関して，特開平１−２０５８９２号公報に２回溶接法を行うことが開示されている。また，突合わせ継手に関しては，特開平１−２０５８９３号公報に，図１５に示すごとく，２部材９１，９２のうち，フランジ用の部材９１を，フランジ内部に装着される軸部の部材９２よりも炭素量を少なくするとともに，レーザ照射位置Ｌを炭素量の少ないフランジ用の部材９１側にずらしてフランジ用の部材９１における溶融部９３の厚みを厚くし，溶融部９３の炭素量を抑えることにより，割れを防止する方法が提案されている。
【０００７】
しかし，２回溶接法やフランジ部側板厚段差を設けて溶融部炭素量を抑制し割れを防止する方法では，レーザ照射位置の影響，部品の継手部クリアランスが不安定となりやすい。また，図１６に示すごとく，異種金属からなる２部材９１，９２の溶融部における金属結晶９６の粒界９７が脆弱となり，そこにＰ，Ｓ，Ｃ，Ｓｉなどの不純物元素９８が析出する場合がある。そのため，これらの方法は，生産性及び品質の安定性が不十分であり，量産性に劣る。
【０００８】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，レーザ溶融接合部における割れを防止することができる，溶接重ね継手及びその製造方法を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題の解決手段】
請求項１記載の発明は，鍔部と首部とよりなり両者の内部に設けられ少なくとも首部の端部に開口させた挿入用穴を有し且つ磁性材料よりなるフランジ部と，上記挿入用穴内に挿入した耐摩耗性金属材料よりなる軸部とからなる溶接重ね継手を製造する方法であって，
上記フランジ部の上記挿入用穴内に上記軸部を挿入して上記首部の外周部にレーザを照射して上記フランジ部と軸部とをレーザ溶接することを特徴とする溶接重ね継手の製造方法である。
【００１０】
次に，本発明の作用につき説明する。
フランジ部の挿入用穴内に，軸部を挿入して，フランジ部の首部の外周部にレーザを照射する。すると，首部とその内方に位置する軸部とが溶融してレーザ溶接される。レーザによる溶融部は，冷却により凝固する。
【００１１】
このため，図１（ｂ）に示すごとく，溶融部１には，円周方向Ａ及び軸方向Ｂに引張り応力が作用する。しかし，本発明における首部２２の外周部の重ね継手形状を用いれば，円周方向Ａの応力により，首部２２の外径が収縮する変位に伴い，円周方向Ａの引張り応力が減少する。この変位により円周上の首部２２により軸部３を締め込む力が作用し，首部２２と軸部３が密着溶融部以外の面でも密着する。このため，首部２２と軸部３の間で生じる軸方向の引張り応力が溶融部以外の部分へ分散され，溶融部１への作用応力が減少する。また，金属結晶の粒界も強固であり，不純物元素の析出もない。従って，溶融部１に割れが発生することは極めて少ない。
また，広範囲なレーザ出力で，割れのない良好な溶融部を形成できるため，製品歩留まりが向上し，量産にも向いている。
【００１２】
また，溶接重ね継手は，磁性材料からなるフランジ部を有するため，磁性を利用した部品として用いることができる。また，溶接重ね継手は，耐摩耗性金属材料からなる軸部を有するため，摺動部における耐摩耗性に優れる。
【００１３】
請求項２記載のように，上記磁性材料は，けい素鋼，Ｎｉ系合金鋼又はフェライト系ステンレス鋼からなるものなどを用いることができる。けい素鋼の組成は表１に，Ｎｉ系合金鋼の組成は表２に，フェライト系ステンレス鋼の組成は表３に，それぞれ示す。
【００１４】
【表１】
0003849288.tif 000002
【００１５】
【表２】
0003849288.tif 000003
【００１６】
【表３】
0003849288.tif 000004
【００１７】
請求項３記載のように，上記耐摩耗性金属材料は，合金工具鋼，高速度工具鋼又はマルテンサイト系ステンレス鋼からなることが好ましい。これにより，軸部の強度が更に高まり，摺動部における耐摩耗性を向上させることができる。なお，各耐摩耗性金属材料の組成は，合金工具鋼は表４に，高速度工具鋼は表５に，マルテンサイト系ステンレス鋼は表６に，それぞれ示す。
【００１８】
【表４】
0003849288.tif 000005
【００１９】
【表５】
0003849288.tif 000006
【００２０】
【表６】
0003849288.tif 000007
【００２１】
請求項４記載のように，上記レーザ溶接によって生じた溶融部における，上記フランジ部の磁性材料の同一断面上での面積を示すＡと上記軸部の耐摩耗性金属材料の同一断面上での面積を示すＢとによって構成される希釈率（Ｂ／（Ａ＋Ｂ）×１００％）は，１５〜４５％であることが好ましい（図４参照）。即ち，希釈率とは，耐摩耗性金属材料Ｂが磁性材料Ａによって希釈される割合をいい，同一断面上での面積比で定義される。
【００２２】
希釈率が上記の範囲であることにより，溶融部が内部の軸部にまで十分な深さで形成されるため，溶接強度が高くなり，また溶融部の割れを抑制できる。一方，１５％未満の場合には，溶融部が軸部において充分な深さまで形成されず溶接強度が不十分となるおそれがある。また，４５％を超える場合には，溶融部に割れが生じるおそれがある。
溶融部が上記希釈率になるようにする手段としては，例えば，レーザ出力調整，フランジ部の首部の厚みｔの調整等の方法がある。
【００２３】
溶接強度が５００ｋｇｆ以上必要な場合には，フランジ部における首部の厚みｔは０．４〜０．８ｍｍであることが好ましい。これにより，優れた溶接強度を確保できる。一方，０．４ｍｍ未満の場合には，板厚が薄く，溶接接合部より母材（首部）側が破断するおそれがある。また，０．８ｍｍを超える場合には，レーザ出力がハイパワーとなり，熱歪みなどを考慮することが必要となる場合がある。また，けい素鋼のように不純物元素のＳｉを多く含む材料では，上側（磁性材料側）を多く溶融することによりＳｉが悪影響を及ぼし，割れが発生する危険性がある。
【００２４】
上記の製造方法を行うことによって得られる溶接重ね継手としては，例えば，請求項５記載のように，鍔部と首部とよりなり両者の内部に設けられ少なくとも首部の端部に開口させた挿入用穴を有し且つ磁性材料よりなるフランジ部と，上記挿入用穴内に挿入した耐摩耗性金属材料よりなる軸部とからなる溶接重ね継手であって，上記フランジ部と軸部とは，上記首部の外周部がレーザ溶接された溶融部において接合されていることを特徴とする溶接重ね継手がある。
【００２５】
フランジ部と軸部とは，フランジ部の首部外周部にレーザを照射することにより溶融溶接されている。この溶融部は，フランジ部の首部の外周部に形成されるため，上記製造方法において説明したように，冷却時に接合部に働く収縮応力が小さい。従って，溶融部に割れが発生することは極めて少ない。
また，広範囲なレーザ出力で，割れのない良好な溶融部を形成できるため，製品歩留まりが向上し，量産性が高くなる。
【００２６】
また，フランジ部及び軸部は，それぞれ磁性材料，耐摩耗性金属材料からなるため，摺動による耐摩耗性が高い。また，本発明の溶接重ね継手は，磁性を利用した部品として用いることができる。
【００２７】
また，上記と同様の理由により，請求項６記載のように，上記磁性材料は，けい素鋼，Ｎｉ系合金鋼又はフェライト系ステンレス鋼からなることが好ましく，また，請求項７記載のように，上記耐摩耗性金属材料は，合金工具鋼，高速度工具鋼又はマルテンサイト系ステンレス鋼からなることが好ましく，請求項８記載のように，上記溶融部における，上記フランジ部の磁性材料の同一断面上での面積を示すＡと上記軸部の耐摩耗性金属材料の同一断面上での面積を示すＢとによって構成される希釈率（Ｂ／（Ａ＋Ｂ）×１００％）は，１５〜４５％であることが好ましい。
【００２８】
【発明の実施の形態】
実施形態例１
本発明の実施形態例にかかる溶接重ね継手について，図１〜図４を用いて説明する。
本例の溶接重ね継手８は，図１，図２に示すごとく，フランジ部２と軸部３とからなる。フランジ部２は，鍔部２１と首部２２と，両者の内部に設けられ両者を貫通する挿入用穴２３とを有する。
【００２９】
軸部３は，図２に示すごとく，貫通穴３０を有するパイプ形状を有する。そして，図３に示すごとく，軸部３は，フランジ部２の挿入用穴２３内に圧入されている。
フランジ部２と軸部３とは，図１に示すごとく，首部２２の外周部に出力３８０Ｗのレーザ７を照射してレーザ溶接された溶融部１において接合されている。レーザ照射時のフランジ部２の回転速度は，２５ｍｍ／ｓｅｃである。
【００３０】
図４に示すごとく，溶融部１における，フランジ部２の磁性材料Ａと軸部３の耐摩耗性金属材料Ｂとによって構成される希釈率（Ｂ／（Ａ＋Ｂ））は，３５％である。磁性材料としては，表１に示すけい素鋼を用いる。耐摩耗性金属材料としては，表４に示す合金工具鋼を用いる。
【００３１】
フランジ部２における鍔部２１は，直径２２ｍｍ，長さ６．７ｍｍである。また，首部２２の外周直径は８ｍｍであり，厚みｔは０．６ｍｍであり，長さは３ｍｍである。軸部３は，円筒体であり，直径６．５ｍｍであり，厚み３ｍｍ，長さ２０ｍｍである。
【００３２】
本例の溶接重ね継手は，磁気のＯＮ／ＯＦＦで摺動する，燃料噴射弁作動用のバルブとして用いられる。
【００３３】
次に，本例の作用及び効果について説明する。
フランジ部２の挿入用穴２３内に，軸部３を挿入して，フランジ部１の首部２２の外周部にレーザ７を照射する。すると，首部２２とその内方に位置する軸部３とが溶融してレーザ溶接される。レーザ７による溶融部１は，冷却により凝固する。このため，フランジ部２の中心軸方向に向けて収縮応力が発生する。しかし，本例においては，フランジ部２の内部には軸部３が設けられているため，軸部３により収縮応力は緩和される。また，金属結晶の粒界も強固であり，不純物元素の析出もない。従って，溶融部１に割れが発生することは極めて少ない。
【００３４】
また，溶接重ね継手８は，耐摩耗性金属材料からなる軸部３を有するため，摺動部における耐摩耗性が高い。そのため，磁気のＯＮ／ＯＦＦにより激しい摺動を繰り返しても，充分な耐久性を維持できる。
【００３５】
比較例１
本例は，図５，図６に示すごとく，フランジ部２の平面部２９にレーザ７を照射することにより，その内部に挿入された軸部３とレーザ溶接した平面型重ね継手である。平面部２９の厚みは，０．６ｍｍである。平面部２９には，レーザ７を照射することによりリング状に溶融部１が形成されている。なお，軸部３は中実体である。その他は，実施形態例１と同様である。
【００３６】
比較例２
本例は，図７，図８に示すごとく，挿入用穴２３の上方に位置するフランジ部２の平面部２９と軸部３との突合わせ部にレーザ７を照射して，平面部２９と軸部３とをレーザ溶接した突合わせ継手である。その他は，実施形態例１と同様である。
【００３７】
実験例１
本例においては，溶接時のレーザ出力と溶融部の性状との関係について評価した。
評価に当たっては，実施形態例１，比較例１の溶接重ね継手及び比較例２の溶接突合わせ継手の製造方法において，レーザ出力を変化させてレーザ照射をした。その結果，図９に示すごとく，実施形態例１の溶接重ね継手について，溶融部１の溶接強度が５００ｋｇｆ必要な場合でかつ割れの発生がない良好な溶接状態が得られたのは，２７０〜４５０Ｗの広い範囲であった。一方，２７０Ｗ未満の場合には，溶接強度不足が生じることがあった。逆に，４５０Ｗを超える場合には溶融部に割れが生じる傾向があった。
【００３８】
一方，実施形態例１と同様に良好な溶接状態が得られたのは，比較例１では２７０〜３７５Ｗの狭い範囲であり，また比較例２では２７０〜３１５Ｗの極狭い範囲であった。この範囲は，実施形態例１の良好な溶接状態が得られるレーザ出力範囲を１とすると，比較例１では０．５４であり，比較例２では０．２３であった。これは，前者の比較例１では接合部にかかる応力の影響，後者の比較例２では接合部にかかる応力と溶融部の組成的影響により割れが発生し良好範囲を狭くしていることを示している。
以上より，実施形態例１によれば，比較例１，２に比べて，広範囲なレーザ出力で，割れのない良好な溶融部１を形成できるため，製品歩留まりが向上し，量産性にも向いている。
【００３９】
実験例２
本例においては，溶融部の希釈率と溶融部の性状との関係について評価した。評価にあたっては，図１０〜図１２に示すごとく，実施形態例１の溶接重ね継手において，希釈率を変化させた。その結果，希釈率が１０％の場合には，図１０に示すごとく，溶融部１が内部の軸部３において充分な深さまで形成されず，溶接強度が不十分であった。一方，３５％の場合には，図１１に示すごとく，溶融部１が軸部３において充分な深さまで形成され，溶接強度が高く，また割れも生じなかった。また，４５％以上の場合には，図１２に示すごとく，溶融部１に割れ９５が生じた。
【００４０】
実験例３
本例においては，図１３に示すごとく，レーザ出力エネルギと溶融部の希釈率との関係を調査した。
調査にあたっては，実施形態例１の溶接重ね継手において，レーザ出力エネルギを変えこれにより形成される溶融部の希釈率を測定した。レーザ照射する首部の厚みは，０．４ｍｍ，０．６ｍｍ，０．８ｍｍと変化させた。レーザ照射時のフランジ部の首部回転速度は２５ｍｍ／ｓｅｃとした。かかるレーザ溶接より形成される溶融部のスパッタ及び割れ発生の有無，並びに溶接強度も調査した。その結果を図１３に示した。なお，溶接強度の限界値は５００ｋｇｆとした。
【００４１】
同図より，実施形態例１における良好な溶接状態が，広範囲のエネルギ出力で得られるのは，希釈率が１５〜４５％の場合であった。また，首部の厚みｔと希釈率との間には，耐摩耗性金属材料の希釈率を４５％以上にすると割れが発生するという関係があることがわかる。また，溶接強度の限界値が５００ｋｇｆ以下の場合には，希釈率を１５％以下にして溶接することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の溶接重ね継手の斜視図（ａ），及びその要部拡大斜視図（ｂ）。
【図２】実施形態例１の溶接重ね継手の断面図。
【図３】実施形態例１における，フランジ部の挿入用穴内に軸部を圧入する方法を示す説明図。
【図４】本発明における，溶融部の希釈率のもとめ方を示すための首部と軸部との断面説明図。
【図５】比較例１の溶接重ね継手の斜視図。
【図６】比較例１の溶接重ね継手の断面図。
【図７】比較例２の溶接突合わせ継手の斜視図。
【図８】比較例２の溶接突合わせ継手の断面図。
【図９】実験例１における，レーザ出力と溶融部の溶接状態との関係を示す特性図。
【図１０】実験例２における，溶融部の希釈率が１０％の場合の，溶融部の断面図。
【図１１】実験例２における，溶融部の希釈率が３５％の場合の，溶融部の断面図。
【図１２】実験例２における，溶融部の希釈率が４５％以上の場合の，溶融部の断面図。
【図１３】実験例３における，レーザ出力と溶融部の希釈率と首部の厚みとの関係を示す特性図。
【図１４】従来例における，２部材をレーザ溶接する場合に生じる問題点を示す説明図。
【図１５】従来例における，レーザ照射位置を変更した場合の溶融部の断面図。
【図１６】従来例における，粒界に不純物が析出した溶融部の断面図（ａ）及び，その拡大断面図（ｂ）。
【符号の説明】
１．．．溶融部，
２．．．フランジ部，
２１．．．鍔部，
２２．．．首部，
２３．．．挿入用穴，
３．．．軸部，
８．．．溶接重ね継手，
【図１】
0003849288.tif 000008
【図２】
0003849288.tif 000009
【図３】
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【図４】
0003849288.tif 000011
【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】
0003849288.tif 000017
【図１１】
0003849288.tif 000018
【図１２】
0003849288.tif 000019
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
0003849288.tif 000022
【図１６】
0003849288.tif 000023