JP2018039048A

JP2018039048A - カムシャフトの製造方法

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Publication number: JP2018039048A
Application number: JP2017153821A
Authority: JP
Inventors: アンドレアスガイヤー; Geyer Andreas; マリオモーラー; Mario Mohler; ペーターヴィンクラー; Winkler Peter
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2017-08-09
Publication date: 2018-03-15
Also published as: DE102016217024A1; US20180065205A1; CN107803580A; EP3305455A1

Abstract

【課題】誘導溶接法および摩擦溶接法の両方の長所を活用する。
【解決手段】本発明は、少なくとも２つの金属製の構成要素（１０，１１）を備えたカムシャフト（１１１）を製造するための方法に関する。本発明の重要事項は、両構成要素（１０，１１）を、複合誘導／摩擦溶接法によって互いに溶接することである。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、請求項１の前提部に係るカムシャフトの製造方法に関する。本発明は、また、この方法によって製造されたカムシャフトに関する。

カムシャフト管に駆動要素を溶接する場合、一般に摩擦溶接法が使用される。しかしながら、摩擦溶接法によると望ましくない溶接ビードが生じることがあり、そのために後処理が必要となる。摩擦溶接法には多くの種類が存在するが、それらはいずれも同じ原理に基づいている。すなわち、動摩擦を利用して運動エネルギー（一般に回転運動による）を熱に変換する。プロセス中に金属が溶けることはなく、そのため、当該プロセスは、固相溶接として知られる分類に属する。液化が生じないため、これらの溶接プロセスは、ポロシティ、スラグ巻込み、融合不良、溶込不良、およびアンダーカットなどの溶接欠陥が発生しにくい。

特許文献１から、パイプラインのための固相溶接法が知られており、誘導溶接および摩擦溶接のそれぞれの利点が組み合わされている。

例えば特許文献２から、２つのピストン部品の溶接が知られている。

独国特許出願公表第６９９２０７７０号明細書米国特許第７００５６２０号明細書

本発明は、一般的なカムシャフトの製造方法の改善されたまたは少なくとも従来のものに代わる実施形態を提示するという課題を扱う。当該実施形態は、特に従来技術から公知の欠点を克服するものである。

本発明によると、この課題は、独立請求項１の主題によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明は、少なくとも２つの金属製の構成要素を備えたカムシャフトの製造方法において、当該金属製の構成要素を互いに接続するために、複合誘導／摩擦溶接法を初めて利用するという基本思想に基づく。特に、一般に摩擦溶接において生じる溶接ビードの発生を防ぐことができ、それにより必要となる後処理の労力を少なくとも低減できる。また、本発明に係る複合誘導／摩擦溶接法は、レーザ溶接と比較して、材料の選択がそれほど制限されないという大きな利点をもたらす。

本発明の有利な別の展開では、構成要素として、カムシャフト管と、このカムシャフト管の長手方向端部に設けられた駆動要素とが用いられる。よって、本発明に係る方法によると、迅速かつ低コストでかつ高品質なカムシャフトの製造が初めて可能となる。

本発明の有利な別の展開では、複合誘導／摩擦溶接法は、特許文献１に記載されたステップを含む。すなわち、構成要素の特に平行な対向面を、対向面の間または外側に配置された高周波誘導加熱器によって、非酸化雰囲気で構成要素の再結晶化点を概して上回る第１温度まで加熱するステップと、構成要素の少なくとも１つを、他の構成要素に対して対向面と平行に連続的に動かすステップと、互いに接続されるべき構成要素の対向面を、軸方向力によって互いに押し付け、構成要素の対向面を互いに溶接するために構成要素の少なくとも１つを動かし続けるステップとである。ここで、溶接エネルギーの少なくとも約９０％は、誘導加熱器によって与えられ、溶接エネルギーの残部は、一般的な摩擦溶接によって与えられ、押込みによる構成要素の全長さ損失は、構成要素の壁厚さ１ｍｍあたり、軸方向において１ｍｍ未満である。

あるいは、誘導加熱器を、それが互いに溶接されるべき対向面を取り囲むか、または対向面をリング状に囲むように、外側に配置することも考えられる。

よって、本発明に係る方法は、誘導加熱によって構成要素の対向面を急速に加熱することと、構成要素の少なくとも１つを、例えば構成要素の１つを回転させることにより、他の構成要素に対して対向面と平行に連続的に動かすこととを含む。最後に、カムシャフトを製造するために初めて利用される特許文献１に記載の方法は、一般的な摩擦溶接における押付力よりもずっと小さな軸方向力によって構成要素の対向面を急速に押し付け、当該対向面を固相溶接するために１つの構成要素を他の構成要素に対して動かし続けることを含む。

本発明に係る方法の有利な別の展開では、当該方法は、溶接されるべき構成要素の対向面を、当該対向面から１．５ｍｍ未満の深さまでに加熱領域を制限するために、誘導加熱器によって３０秒未満の間に熱間加工温度まで加熱するステップを含む。誘導加熱器の周波数は、好ましくは３ｋＨｚ以上であって、より好ましくは約２５ｋＨｚまたはそれ以上である。

本発明の好ましい固相溶接法では、構成要素は、加熱後の約１秒間で互いに溶接され得る。ここで、軸方向力は、その後、約５秒間にわたって維持される。よって、本発明の固相溶接は、摩擦溶接または誘導加熱よりも迅速かつ効率的であり、非常に低い回転速度で高い完全性を有する再現可能な溶接接合を作り出すことができる。

本発明の別の好ましい実施形態では、加熱および溶接ステップは、構成要素を、例えば窒素などの非酸化性ガスの雰囲気下に置いて実行される。それにより、得られる溶接接合が大幅に改善される。

上述したように、本発明に係る改善された固相溶接法は、損失バリが大幅に低減されて改善された溶接接合を提供する。一般的な摩擦溶接によって管状の構成要素を互いに溶接する場合、一般的な摩擦溶接によって発生し得る大きな内側バリが、当該構成要素を通る流体フローに影響を及ぼし得る。よって、本発明は、例えば、対向面を有するカムシャフト管および駆動要素のような互いに溶接される構成要素であって、対向溶接面の接触平面から放射状に延びる比較的小さな平面バリを有する構成要素を備える。バリの大きさは、壁厚み１ｍｍあたり、軸方向において１ｍｍ未満の全長さ損失に対応する。特に、例えば軸受箇所を潤滑するためのオイル流れが、カムシャフト内において最適化され得る。

好ましくは、本発明の方法は、溶接領域を囲むことと、対向面周りにシールドガスを流し込むこととを含む。上述したように、加熱および溶接ステップは、好ましくは、加熱された接触面が何らかのガス（酸素、窒素、二酸化炭素、および水蒸気などの大気圏に広く存在するガス）と化学反応するのを防ぐために、非活性雰囲気下で実行される。例えば、鋼は、上昇した温度下で酸素と急速に結合して酸化物を生成し、それにより溶接接合部に欠陥を生じさせる。逆に、窒素は、鋼と非常にゆっくりと反応し、よって非常に有用なシールドガスとなる。例えばアルゴンまたはヘリウムなど、他のシールドガスも考えられることは言うまでもない。

あるいは、真空中で当該固相溶接法を実行することにより、任意のタイプの金属に対応して大気中の有害ガスを排除することができる。特殊金属に対しては、有害ガスは、冶金学的に親和性のある固相バリア物質の薄層で対向面をプレコートすることによって排除され得る。当該バリア物質は、大気圏中の通常の成分とは反応しないだろう。

最も論理にかなったシールドガスの選択はアルゴンであるが、実験によると、アルゴンは加熱サイクルの終了付近でフラッシュオーバーを発生することがわかっており、当該フラッシュオーバーは窒素を使用することで回避できる。

金属の温度が上昇すると、その力学的特性が、機械的安定性が失われる融点に到達するまで、徐々に弾性（および脆性）を失いかつ展性（および粘性）を増していく。降伏強さも、温度が上昇すると低下する。材料固有の温度は、一般に、熱間加工温度（ＴＨＷ）として特定される。熱間加工温度は、一般に、再結晶化点を上回る温度として、または冷間加工硬化を回避するのに十分高い温度として特定される。所与の金属に対するＴＨＷは、絶対温度（すなわち、ケルビンまたはランキン度）で表して、融点の約５０〜９０％の高さの温度である。一般的な摩擦溶接は、２つの隣接する構成要素の温度をＴＨＷまで上昇させるために機械的摩擦を利用し、それにより滑り運動が２つの構成要素間の制御されたレベルの接合をもたらし、それが強固な溶接接合部となる。本発明の固相溶接法は、構成要素の当接面を熱間加工温度まで上昇させるために誘導加熱を利用する。

本発明の方法は、フライホイール式摩擦溶接、連続摩擦溶接、軌道摩擦溶接、および振動摩擦溶接を含む任意のタイプの摩擦溶接に基づいて実行されてもよい。

本発明の別の重要な特徴および利点は、従属請求項から、図面から、および図面を参照した関連する図の説明から明らかになるだろう。

上述したあるいは後述する特徴は、それぞれに示した組合せにおいてのみでなく、本発明の範囲を逸脱することなく、他の組合せにおいてまたは単独でも利用可能であることは言うまでもない。

図１Ａは、一般的な摩擦溶接法によって溶接されたカムシャフトの部分断面図である。図１Ｂは、本発明の固相溶接法によって溶接されたカムシャフトの部分断面図である。図１Ｃは、本発明の固相溶接法によって溶接されたカムシャフトの第２の実施形態を示す部分断面図である。図２Ａは、固相溶接法のための装置の領域における断面図である。図２Ｂは、図２ＡのＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図３は、本発明に係る方法によって溶接されたカムシャフトの斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、あるいはその用途を制限することを意図するものでは全くない。なお、同一の参照符号は、同一のもしくは類似のまたは機能的に同一の構成要素を示す。

図１Ａは、溶接されたカムシャフト１１１を示している。このカムシャフト１１１は、一般的な摩擦溶接法、例えば一般的なフライホイール式摩擦圧接によって製造される。カムシャフト１１１は、構成要素１１、例えばカムシャフト管と、構成要素１０、例えば駆動要素とを備える。これらの構成要素１０，１１は、一方を他方に対して回転させかつ互いに押し付けることにより、摩擦溶接によって互いに溶接されている。摩擦溶接では、対向面は、熱間加工温度まで加熱される。そのような摩擦溶接接合部の最も大きな問題は、接合部の内側および外側の両方に、二重トーラスの外観を有する溶接バリが生じることである。

カムシャフト１１１においては、当該溶接バリＦ１を除去する必要があり、追加的な労力を要するか、または切り欠き効果、ダートトラップ（Schmutzfalle）、もしくは高まる腐食リスク（内側）に関して不利益をもたらす。上述したように、大きな溶接バリは、非金属介在物の集中による溶接接合強度の低下として、溶接界面において長さが失われることに起因する。本発明に係る固相溶接法は、材料ロスおよび溶接サイクル長さを低減するのみでなく、構造的完全性を向上させる。

図１Ｂおよび図１Ｃは、本発明に係る方法によって作られる溶接接合部の特徴的な形状を示している。

図１Ｃでは、誘導コイル９が適切に寸法設定されており、よって完全に接合された外側溶接バリＦ４がもたらされている。また、溶接バリＦ４，Ｆ５のトータル量が低減され得る。溶接バリの量および長さ損失は、図１Ｂおよび図１Ｃに示す実施形態の両方において大幅に低減され、また溶接接合部の完全性が改善された。

本発明に係る複合誘導／摩擦溶接法は、以下のステップを含む。すなわち、構成要素１０，１１の対向する特に平行な面を、特に当該対向面の間に配置された誘導加熱器４０によって、非酸化雰囲気で構成要素１０，１１の再結晶化点を上回る第１温度まで加熱するステップと、構成要素１０，１１の少なくとも一方を、他方に対して対向面と平行に連続的に動かすステップと、互いに接続されるべき構成要素１０，１１の対向面を、軸方向力によって互いに押し付け、構成要素１０，１１の対向面を互いに溶接するために構成要素１０，１１の少なくとも一方を動かし続けるステップとである。ここで、溶接エネルギーの一部、好ましくは少なくとも約９０％は、誘導加熱器４０によって与えられ、溶接エネルギーの残部は、一般的な摩擦溶接によって与えられ、構成要素１０，１１の全長さ損失は、構成要素１０，１１の壁厚さ１ｍｍあたり、軸方向において１ｍｍ未満である。

本発明に係る製造方法の大きな利点は、わずかな軸方向長さのみが使用され、そのため、生じる溶接接合バリが非常に小さいことである。従来の摩擦溶接法に対して、本発明に係る溶接法は、２つの対応する構成要素が接触する前の段階から開始する。必要とされる溶接エネルギーの大半を提供する誘導加熱の段階は、構成要素１０，１１の回転の加速と共に進み、２つの構成要素１０，１１が接触する数分の一秒前に終了する。このことは、構成要素１０，１１の間において誘導コイル９を引っ込めるため、および引き続き軸方向ギャップを閉じて接触させるために必要である。

クリーンかつ滑らかで真っ直ぐにカットされた平行な端部を有する２つの構成要素１０，１１を接近させる場合、誘導コイル９は、２つの構成要素１０，１１の対向する長手方向端部の間に設けられてもよく、その両側には小さなギャップ１２，１３が形成される。通常、誘導コイル９は、誘導加熱サイクル中に冷却水が循環できるように中空の矩形銅管で構成された一巻きコイルである。

あるいは、誘導加熱器４０を、互いに溶接されるべき対向面を取り囲むように、または当該面をリング状に囲むように、外側に取り付けることも考えられる。その場合、誘導コイル９は、カムシャフト１１１を取り囲むリングを形成する。

誘導コイル９は、フレキシブルな電源ケーブルによって、またはロータリもしくはスライドジョイントによって、高周波電源に接続される。通常、ギャップ１２，１３の大きさは、加熱段階の間または引っ込める間において、誘導コイル９と構成要素１０，１１の一方との間で物理的接触および／またはフラッシュオーバーが生じる手前まで、できるだけ小さく調節される。２つの構成要素１０，１１が互いに同じ直径、壁厚さ、および冶金学的特性を有する場合、誘導コイル９は、構成要素１０，１１の対向する端部の間において真ん中に配置される。カムシャフト１１１の２つの構成要素１０，１１の間で上記３つのパラメータの１つまたは複数が異なる場合、２つの構成要素１０，１１への熱供給の均等化は、構成要素１０，１１の一方に誘導コイル９を近づけることによって実現され、その場合さらなる熱供給が必要となる。ギャップ調節の主な目的は、両構成要素１０，１１が同時に熱間加工温度に達するようにすることである。ギャップ１２，１３は、誘導加熱段階の開始前に測定されて調節されてもよいし、あるいは非接触温度センサを用いて誘導加熱中に連続的に調節されてもよい。

ギャップ１２，１３は、２つの目的を果たす。まず、ギャップ１２，１３は、誘導コイル９と構成要素１０，１１との間の物理的接触を防ぐ。そのような物理的接触が起こると、構成要素の表面への異物混入や、誘導コイル９の電気的短絡が生じるだろう。加えて、ギャップ１２，１３は、シールドガス１４の流れのための経路になる。シールドガス１４は、構成要素１０，１１の加熱される端部の望ましくない酸化を防ぐ。多くの場合、上述した理由に対して窒素を用いるのが好ましいが、シールドガスは、冶金学的要求および作業場における利用可能性にしたがって選択されるものであって、窒素、二酸化炭素、アルゴン、もしくはその他の非酸化性ガスまたはそれらの混合ガスであってもよい。シールドガス１４は、外側において、各構成要素１０，１１の外周部に近接する柔軟性カーテン１５によって囲まれており、それにより当該シールドガス１４は、径方向内側を流れることを強制されて開放された構成要素の端部から連続的に酸素を追い出す。また、柔軟性カーテン１５が所定位置に保持される一方で、誘導コイル９を引っ込めることができる。

適当なシールドガス１４の選択は、主に、構成要素１０，１１の冶金学的特性と、当該ガス１４の高温イオン化特性とに依存する。鉄化合物やニッケル系合金の場合、たいていは窒素で十分である。しかしながら、例えばチタン化合物の場合など、特定の冶金学的特性に対しては、別のガスが必要になり得る。適当なシールドガス１４を使用することが好ましいが、構成要素１０，１１は、例えばプレコートなどの代替的または追加的な方法によっても有害ガスから保護され得る。このため、構成要素１０，１１の対向面を、例えば、好ましくは水素を排除する塩化物系フラックス材料などの保護バリア物質で直接的にプレコートしてもよい。

図３は、本発明に係る方法によって製造されたカムシャフト１１１を示している。このカムシャフト１１１は、駆動要素およびカムシャフト管を備える。

１０構成要素
１０ａ駆動要素
１１構成要素
１１ａカムシャフト管
４０誘導加熱器
１１１カムシャフト

Claims

少なくとも２つの金属製の構成要素（１０，１１）を備えたカムシャフト（１１１）を製造するための方法であって、
上記２つの構成要素（１０，１１）を、複合誘導／摩擦溶接法によって互いに溶接する
ことを特徴とする方法。
請求項１において、
上記構成要素（１０，１１）として、カムシャフト管（１１ａ）と、該カムシャフト管（１１ａ）の長手方向端部に設けられた駆動要素（１０ａ）とを用いる
ことを特徴とする方法。
請求項１または２において、
上記複合誘導／摩擦溶接法は、
上記構成要素（１０，１１）の対向面を、該対向面の間または外側に配置された誘導加熱器（４０）によって、非酸化雰囲気で上記構成要素（１０，１１）の再結晶化点を上回る第１温度まで加熱するステップと、
上記構成要素（１０，１１）の少なくとも１つを、他の上記構成要素（１０，１１）に対して上記対向面と平行に連続的に動かすステップと、
互いに接続されるべき上記構成要素（１０，１１）の上記対向面を、軸方向力によって互いに押し付け、上記構成要素（１０，１１）の上記対向面を互いに溶接するために上記構成要素（１０，１１）の少なくとも１つを動かし続けるステップとを含み、
溶接エネルギーの少なくとも約９０％を、上記誘導加熱器（４０）によって与え、
溶接エネルギーの残部を、一般的な摩擦溶接によって与え、
上記構成要素（１０，１１）の全長さ損失は、上記構成要素（１０，１１）の壁厚さ１ｍｍあたり、軸方向において１ｍｍ未満である
ことを特徴とする方法。
請求項３において、
上記対向面を、３０秒未満の間に、上記第１温度まで加熱する
ことを特徴とする方法。
請求項３において、
上記複合誘導／摩擦溶接法は、
上記構成要素（１０，１１）の上記対向面を、上記加熱後の約１秒間において互いに溶接するステップと、
その後、上記軸方向力を約５秒にわたって維持するステップとを含む
ことを特徴とする方法。
請求項３において、
上記加熱後に、上記構成要素（１０，１１）の少なくとも１つを回転させて、約４回転するまでに上記構成要素（１０，１１）の上記対向面を互いに溶接するステップと、
溶接部の温度が上記第１温度を下回るまで上記軸方向力を維持するステップとを含む
ことを特徴とする方法。
請求項３において、
上記対向面を、１０秒未満の間に、上記第１温度まで誘導加熱するステップを含む
ことを特徴とする方法。
請求項３において、
上記構成要素（１０，１１）の上記対向面を、上記誘導加熱器（４０）によって、１０ｋＨｚ以上の周波数で加熱するステップを含む
ことを特徴とする方法。
請求項３において、
上記構成要素（１０，１１）の上記対向面を、該対向面を上記誘導加熱器（４０）によって上記第１温度まで加熱するまでの間、窒素ガスを含む非酸化性ガスの雰囲気下に置く
ことを特徴とする方法。
請求項３において、
上記対向面を、真空雰囲気下に置く
ことを特徴とする方法。
請求項１０において、
上記対向面を、上記誘導加熱器（４０）によって、上記真空中で上記第１温度まで加熱するステップを含む
ことを特徴とする方法。
請求項３において、
上記対向面を、該対向面を上記誘導加熱器（４０）によって上記第１温度まで加熱するまでの間、上記構成要素（１０，１１）と冶金学的に親和性のある材料でプレコートするステップを含む
ことを特徴とする方法。
請求項１において、
上記構成要素（１０，１１）の少なくとも１つを、連続的に回転運動させるステップを含む
ことを特徴とする方法。
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法によって製造されるカムシャフト（１１１）であって、
１つの上記構成要素（１１）は、カムシャフト管（１１ａ）であり、
１つの上記構成要素（１０）は、駆動要素（１０ａ）である
ことを特徴とするカムシャフト。