特許 7582824 細管の溶接方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-05

(45)【発行日】2024-11-13

(54)【発明の名称】細管の溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/21 20140101AFI20241106BHJP

【ＦＩ】

B23K26/21 N

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020157020

(22)【出願日】2020-09-18

(65)【公開番号】P2022050856

(43)【公開日】2022-03-31

【審査請求日】2023-06-26

(73)【特許権者】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(72)【発明者】

【氏名】落合 耕一

【審査官】柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】特開平０５－０５０２９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５８－１０７２３０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平０７－１７４２４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－００６７６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－２３６０８３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／２１

Ｆ１６Ｌ １３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属製の細管を、前記細管の外径に相当する孔径の貫通孔を有するワッシャの前記貫通孔に挿通した状態で前記ワッシャに前記細管を溶接する方法であって、
前記細管を前記ワッシャの前記貫通孔に挿通させる第１工程と、
前記ワッシャの一端側の外側面からかしめ工具により前記ワッシャの内側に向けて押圧し、前記細管の外周と前記貫通孔の内周とを密着状態とする第２工程と、
前記第２工程の後、前記細管と前記ワッシャの一端側の前記貫通孔の開口との当接部周囲をレーザー溶接により溶接固定する第３工程を有し、
前記第２工程は、前記ワッシャが収容される円形の空間部が中心部に開口しているとともに、前記空間部から放射状に延びる３つの溝で分けられた３つの爪を有する円板状のかしめ変形部材を使用し、前記空間部に前記ワッシャが挿入された状態で前記かしめ変形部材を径方向の内側に向けて押圧して行われ、
前記かしめ変形部材が径方向の内側に向けて押圧されることにより、前記溝と前記かしめ変形部材の外周端との間に設けられた薄肉部分が弾性変形して前記３つの爪が前記かしめ変形部材の中心に向けて変位することを特徴とする細管の溶接方法。

【請求項2】

請求項１に記載の細管の溶接方法であって、
前記第１工程、または前記第２工程において、前記ワッシャの一端側の端面から前記細管の一端部が突出しないように前記細管の位置決めがなされることを特徴とする細管の溶接方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、細管を貫通孔に通して貫通孔の孔壁に溶接する細管の溶接構造および細管の溶接方法に関する。

【背景技術】

【0002】

細管を貫通孔に通して貫通孔の孔壁に溶接する技術は、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１には、二つの圧力容器を細管によって接続し、一方の圧力容器から細管を通して他方の圧力容器に圧力を伝達する装置が開示されている。細管は、接続用の部品（以下、この部品を単に「ワッシャ」という）を介して圧力容器に接続されている。この細管とワッシャを図１０（Ａ），（Ｂ）によって説明する。図１０（Ａ）は、溶接中の細管とワッシャの断面図、図１０（Ｂ）は、溶接後の細管とワッシャの断面図である。図１０（Ａ）に示すように、細管１はワッシャ２の貫通孔３に通され、ワッシャ２の先端部にレーザー溶接によって溶接されている。図１０（Ａ）において、二点鎖線Ｌは、溶接時のレーザー光を示す。

【0003】

細管１は、直径に対して寸法公差が大きくなるものである。例えば、細管１の規格上の呼称で３０Ｇと呼ばれる細管の場合は、φ０．３１±０．０２の公差を有している。このため、細管１をワッシャ２に溶接するにあたっては、細管１と貫通孔３の孔壁面との間に公差分の隙間が生じることがある。この隙間は、最大－０．０２ｍｍ～＋０．０２ｍｍの間で変化する。すなわち、隙間の最大幅は０．０４ｍｍになる。細管１の溶接は、この隙間が埋められるように行われていた。このため、図１０（Ｂ）に示すように、母材（ワッシャ２）の溶融量を多くして隙間を埋める溶接方法が採られていた。図１０（Ｂ）においては、溶接部４がワッシャ２の小径部２ａの略全域にわたって拡がるように形成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第６５５９５８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述した従来の溶接構造および溶接方法では、溶接時の溶融量が多いので、溶け込みが細管１の内径側へ貫通するおそれがある。細管１の厚みが薄くなると、このような不具合は顕著になる。
また、細管１とワッシャ２の相対位置を精密に決めることができないという問題もある。この理由は、溶接時に溶融量が多いので、細管１をワッシャ２から多く突出させた状態で溶接を実施しなければならないからである。細管１がワッシャ２から大きく突出すると、細管１に接続される圧力機器の形状に影響を及ぼす。すなわち、細管１の飛び出し部分との干渉を避けるために、圧力機器に穴を広く開けなければならない。このため、細管１が飛び出すことがないように溶接部をコンパクトに形成することが要請されている。

【0006】

本発明の目的は、細管とワッシャとの間に隙間が生じることがなく溶接部がコンパクトになる細管の溶接構造および細管の溶接方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

この目的を達成するために本発明に係る細管の溶接構造は、金属製の細管を、前記細管の外径に相当する孔径の貫通孔を有するワッシャの前記貫通孔に挿通した状態で前記ワッシャに前記細管を溶接する溶接構造であって、前記細管を前記ワッシャの前記貫通孔に挿通させた状態で、前記ワッシャの一端側の外側面からかしめ処理により前記ワッシャの内側に向けて押圧し、前記細管の外周と前記貫通孔の内周とを密着状態としたうえで、前記細管と前記ワッシャの一端側の前記貫通孔の開口との当接部周囲をレーザー溶接により溶接固定されるものである。

【0008】

本発明は、前記細管の溶接構造において、前記ワッシャは、前記貫通孔に沿って延伸した柱状部材であり、かつ、前記柱状部材は前記かしめ処理により押圧される外側面の外径が他の外側面よりも小径となっていてもよい。

【0009】

本発明は、前記溶接構造において、前記ワッシャの一端側の端面から溶接された前記細管の一端部が突出しなくてもよい。

【0010】

本発明に係る細管の溶接方法は、金属製の細管を、前記細管の外径に相当する孔径の貫通孔を有するワッシャの前記貫通孔に挿通した状態で前記ワッシャに前記細管を溶接する方法であって、前記細管を前記ワッシャの前記貫通孔に挿通させる第１工程と、前記ワッシャの一端側の外側面からかしめ工具により前記ワッシャの内側に向けて押圧し、前記細管の外周と前記貫通孔の内周とを密着状態とする第２工程と、前記第２工程の後、前記細管と前記ワッシャの一端側の前記貫通孔の開口との当接部周囲をレーザー溶接により溶接固定する第３工程を有している方法である。

【0011】

本発明は、前記細管の溶接方法であって、前記第１工程、または前記第２工程において、前記ワッシャの一端側の端面から前記細管の一端部が突出しないように前記細管の位置決めがなされてもよい。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、細管とワッシャとの間に隙間が生じることがなく溶接部がコンパクトになる細管の溶接構造および細管の溶接方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、本発明に係る細管の溶接構造に用いる細管とワッシャの断面図である。

【図2】図２は、本発明に係る細管の溶接構造の要部を拡大して示す断面図である。

【図3】図３は、かしめ工具の構成を示す模式図である。

【図4】図４は、かしめ変形部材の構成を示す平面図である。

【図5】図５は、かしめ工具の具体例を示す平面図である。

【図6】図６は、図５におけるVI－VI線断面図である。

【図7】図７は、本発明に係る細管の溶接方法を示すフローチャートである。

【図8】図８は、かしめ工具の一部を拡大して示す断面図である。

【図9】図９は、かしめ工具の一部を拡大して示す断面図である。

【図10】図１０は、従来の溶接構造を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明に係る細管の溶接構造および細管の溶接方法の一実施の形態を図１～図９を参照して詳細に説明する。
図１に示す細管１１は、図示していない圧力センサに圧力を導くためのもので、本発明に係る溶接構造１２（図２参照）によってワッシャ１３に溶接されて使用される。細管１１とワッシャ１３を形成する材料は金属である。ワッシャ１３は、細管１１が挿通される貫通孔１４を有する柱状部材である。貫通孔１４の孔径は、細管１１の外径に相当する径である。

【0015】

細管１１の外径には公差があるため、細管１１とワッシャ１３との間に図１中に符号ｄで示す隙間が生じることがある。図１は、細管１１と貫通孔１４との間に最大幅の隙間ｄが生じる状態で描いてある。
この実施の形態によるワッシャ１３は、貫通孔１４が軸心部に位置する薄い円柱状に形成されており、細管１１が突出する大径部１３ａと、大径部１３ａにテーパー部１３ｂを介して接続された小径部１３ｃとを有している。テーパー部１３ｂは、大径部１３ａから小径部１３ｃに向かうにしたがって次第に外径が小さくなるように形成されており、図示していない圧力容器に開口形状が円形となるように形成された接続口の開口縁に例えば抵抗溶接によって溶接される。

【0016】

細管１１をワッシャ１３に溶接する溶接構造１２は、図２に示すように、ワッシャ１３の小径部１３ｃにかしめ処理を施すことによって形成されたかしめ部１２ａと、細管１１の先端とワッシャ１３の先端とを溶接する溶接部１２ｂとによって構成されている。かしめ処理は、細管１１をワッシャ１３の貫通孔１４に挿通させた状態で、ワッシャ１３の一端側の外側面（小径部１３ｃ）からワッシャ１３の内側に向けて押圧して行われる。このかしめ処理は、後述するかしめ工具１５（図３参照）を用いて行われ、細管１１の外周と貫通孔１４の内周とが密着状態となるように実施される。

【0017】

溶接部１２ｂは、細管１１と、ワッシャ１３の一端側（小径部１３ｃ側）の貫通孔１４の開口との当接部周囲をレーザー溶接により溶接固定することによって形成されている。図２に示すように、この実施の形態による溶接構造１２によってワッシャ１３に溶接された細管１１の一端部は、ワッシャ１３の一端側の端面から突出していない。

【0018】

かしめ工具１５は、図３～図６に示すように構成されている。図３および図４は、かしめ工具１５の主要部の構成を示し、図５および図６は、かしめ工具１５の具体的な一例を示す。かしめ工具１５は、図３に示すように、図３において最も下に描いてある固定ガイド部材２１と、固定ガイド部材２１の上に重ねられたかしめ変形部材２２と、かしめ変形部材２２の上に重ねられた移動押圧部材２３とを用いて構成することができる。

【0019】

固定ガイド部材２１は、後述するかしめ変形部材２２を収容可能な凹部２４を有し、図５および図６に示すように、支持テーブル２５（図５および図６参照）の支持面２５ａ上に固定されている。支持テーブル２５は、板状に形成されて図示していない基台に固定されており、加工対象部材としてのワッシャ１３を固定ガイド部材２１およびかしめ変形部材２２と協働して一方向から（図６においては下方から）支持する。

【0020】

固定ガイド部材２１の凹部２４は、図３において下方に向かうにしたがって次第に接近するように傾斜する第１の傾斜面２４ａと第２の傾斜面２４ｂとを有し、移動押圧部材２３に向けて開口している。第１の傾斜面２４ａと第２の傾斜面２４ｂは、かしめ変形部材２２を支持するとともに、図３において左右方向と下方への移動を規制する。すなわち、固定ガイド部材２１は、自己の内壁面（第１および第２の傾斜面２４ａ，２４ｂ）がかしめ変形部材２２と当接することでかしめ変形部材２２が支持テーブル２５の支持面２５ａ上の一方向（図３においては上方）を除く他の方向への移動を規制する。

【0021】

かしめ変形部材２２は、円板状に形成され、支持テーブル２５の支持面２５ａ上に置かれた状態で固定ガイド部材２１の第１の傾斜面２４ａおよび第２の傾斜面２４ｂと、後述する移動押圧部材２３とに接触している。かしめ変形部材２２は、図４に示すように、自己の中心部に空間部３１を有しているとともに、空間部３１から放射状に延びる一つの開口溝３２および二つの閉口溝３３，３４を有している。

【0022】

空間部３１は、ワッシャ１３の小径部１３ｃが収容されるように円形に開口している。空間部３１は、かしめ変形部材２２の中心部であって支持テーブル２５とは反対側に形成された円形凹部３５（図５および図６参照）の底に開口している。円形凹部３５には、ワッシャ１３の大径部１３ａとテーパー部１３ｂとが収容される。円形凹部３５の最も径が大きくなる部分の内径は、ワッシャ１３の大径部１３ａの外径より大きい。

【0023】

開口溝３２は、かしめ変形部材２２の中心部の空間部３１から外周端まで延伸している。この実施の形態による開口溝３２は、空間部３１からかしめ変形部材２２の径方向の外側に延びる幅狭部３２ａと、かしめ変形部材２２の外周端から径方向の内側に延びる幅広部３２ｂとによって構成されている。かしめ変形部材２２を固定ガイド部材２１に組み付ける際には、図５に示すように、開口溝３２の開口端が固定ガイド部材２１および移動押圧部材２３と当接することがないようにかしめ変形部材２２が位置付けられる。
二つの閉口溝３３，３４は、かしめ変形部材２２の中心部の空間部３１から外周端方向に延伸するが外周端には至らない溝となるように形成されている。すなわち、二つの閉口溝３３，３４は、空間部３１からかしめ変形部材２２の径方向の外側に延びる幅狭部３３ａ，３４ａと、かしめ変形部材２２の外周部であって外周端より径方向の内側に設けられた円形穴３３ｂ，３４ｂとによって構成されている。

【0024】

これら一つの開口溝３２と、二つの閉口溝３３，３４とからなる三つの溝は、かしめ変形部材２２を周方向に３等分する位置に設けられている。この実施の形態においては、開口溝３２の開口端が固定ガイド部材２１の第１、第２の傾斜面２４ａ，２４ｂおよび後述する移動押圧部材２３と当接することがないように、三つの溝の位置が設定されている。このようにかしめ変形部材２２に三つの溝が形成されることにより、図４に示すように、かしめ変形部材２２に空間部３１を３方向から囲む第１～第３の爪３６～３８が構成される。

【0025】

このため、かしめ変形部材２２の形状は、いわゆる三爪チャックの形状を模した形状となる。この場合、第１～第３の爪３６～３８は完全に分離することなく、薄肉部分３９で連結される。薄肉部分３９は、かしめ変形部材２２の二つの閉口溝３３，３４とかしめ変形部材２２の外周端との間の二箇所に設けられている。この実施の形態によるかしめ工具１５は、詳細は後述するが、薄肉部分３９を弾性変形させて第１～第３の爪３６～３８を見かけ上、分離しているように動作させて押し付けを行うように構成されている。

【0026】

移動押圧部材２３は、支持テーブル２５の支持面２５ａに図示してないガイド部材を介して平行移動自在に支持されているとともに、図示していない押圧装置に連結されている。移動押圧部材２３が支持テーブル２５に対して平行移動する方向は、固定ガイド部材２１およびかしめ変形部材２２に対して接離する方向（図３においては上下方向）である。押圧装置は、かしめ処理を行うときに移動押圧部材２３を固定ガイド部材２１およびかしめ変形部材２２に接近する方向へ所定の荷重で押圧し、かしめ処理後に移動押圧部材２３を上記とは反対方向に移動させる。すなわち、移動押圧部材２３は、支持テーブル２５の支持面２５ａ上の一方向から（図３においては上方から）自己の内壁面２３ａでかしめ変形部材２２と当接し押圧する。

【0027】

内壁面２３ａと、第１および第２の傾斜面２４ａ，２４ｂは、互いに６０度の角度をなすように構成されている。すなわち、図３に示すように、移動押圧部材２３の内壁面２３ａと平行な凹部２４の底面２４ｃと第１および第２の傾斜面２４ａ，２４ｂとのなす角度θ１，θ２は、それぞれ６０度である。このように３つの壁のうち二つ（第１および第２の傾斜面２４ａ，２４ｂ）を固定し、他の一つ（移動押圧部材２３の内壁面２３ａ）を動かすことにより、かしめ変形部材２２の第１～第３の爪３６～３８に均等な力を発生させることが可能になる。

【0028】

この実施の形態によるかしめ工具１５は、図６に示すように、ワッシャ１３をかしめ変形部材２２と協働して挟むガイドカバー部材４１を備えている。このガイドカバー部材４１は、固定ガイド部材２１とワッシャ１３とに支持テーブル２５の支持面２５ａとは反対側から当接してワッシャ１３を保持する。また、ガイドカバー部材４１には、ワッシャ１３から支持テーブル２５とは反対側に延伸する細管１１をガイドするガイド孔４１ａが形成されている。

【0029】

次に、上述した溶接構造１２を実現するための溶接方法を説明する。この溶接方法は、図７のフローチャートに示すように、第１～第３工程Ｓ１～Ｓ３によって実施される。第１工程Ｓ１においては、図１に示すように、細管１１をワッシャ１３の貫通孔１４に挿通させる。
第２工程Ｓ２においては、細管１１およびワッシャ１３をかしめ工具１５に装填し、かしめ処理を行う。すなわち、細管１１およびワッシャ１３をかしめ変形部材２２の空間部３１に挿入し、図６に示すように、細管１１とワッシャ１３の先端を支持テーブル２５に当接させる。このように支持テーブル２５に細管１１とワッシャ１３とが当接することにより、ワッシャ１３の一端側の端面から細管１１の一端部が突出しないように細管１１の位置決めがなされる。なお、この位置決めは、上述した第１工程Ｓ１で行うこともできる。空間部３１にワッシャ１３が挿入されることにより、図８に示すように、ワッシャ１３が第１～第３の爪３６～３８と接するようになる。

【0030】

次に移動押圧部材２３によってかしめ変形部材２２を押圧し、かしめ変形部材２２を第１および第２の傾斜面２４ａ，２４ｂに所定の荷重で押し付ける。すなわち、ワッシャ１３の一端側の外側面から、かしめ工具１５によりワッシャ１３の内側に向けて押圧する。この押圧により、かしめ変形部材２２の二つの閉口溝３３，３４とかしめ変形部材２２の外周端との間の二箇所の薄肉部分３９が弾性変形し、三つの溝によって形成された第１～第３の爪３６～３８が図８に示す初期位置から図９に示すかしめ位置までかしめ変形部材２２の中心に向けて変位する。このようにかしめ変形部材２２が外力を受けることにより、空間部３１が可変的に狭められる。

【0031】

この結果、図９に示すように、ワッシャ１３の小径部１３ｃが塑性変形して細管１１の外周と貫通孔１４の内周とが密着状態になる。このようにかしめ処理を行う第２工程Ｓ２を実施した後、細管１１とワッシャ１３とからなる組立体をかしめ工具１５から取り外し、図示していない溶接装置に装着して第３工程Ｓ３を実施する。第３工程Ｓ３においては、細管１１とワッシャ１３の一端側の貫通孔１４の開口との当接部周囲がレーザー溶接により溶接固定される。レーザー溶接は、レーザー光をワッシャ１３と細管１１の端面に向けて照射して行うことができる。溶接後は、図２に示すように、細管１１と貫通孔１４の開口との当接部に溶接部１２ｂが形成される。この溶接部１２ｂは、ワッシャ１３の端面から突出することがない。
したがって、この実施の形態によれば、細管１１とワッシャ１３との間に隙間が生じることがなく溶接部１２ｂがコンパクトになる細管の溶接構造および細管の溶接方法を提供することができる。

【0032】

この実施の形態によるワッシャ１３は、貫通孔１４に沿って延伸した柱状部材である。この柱状部材は、かしめ処理により押圧される外側面（小径部１３ｃ）の外径が他の外側面（大径部１３ａ）よりも小径となっている。このため、かしめ処理を行うときの荷重を小さくすることができ、かしめ工具１５の小型化を図ることができる。
また、この実施の形態においては、ワッシャ１３の一端側の端面から溶接された細管１１の一端部が突出しないように構成されている。このため、より一層コンパクトな溶接部１２ｂが得られる。

【0033】

この実施の形態による細管１１の溶接方法は、細管１１をワッシャ１３の貫通孔１４に挿通させる第１工程Ｓ１と、かしめ工具１５で細管１１の外周と貫通孔１４の内周とを密着状態とする第２工程Ｓ２と、細管１１と貫通孔１４の開口との当接部周囲をレーザー溶接により溶接固定する第３工程Ｓ３を有している。このため、細管１１がかしめによってワッシャ１３に固定された状態で溶接を行うことができるから、溶接が容易で、確実に溶接することができる。

【0034】

この実施の形態による細管１１の溶接方法によれば、第１工程Ｓ１または第２工程Ｓ２でワッシャ１３の端面から細管１１が突出しないように細管１１の位置決めがなされる。このため、かしめ処理が行われる以前に細管１１の位置を調整できるから、かしめ処理を正確に行うことができる。

【0035】

この実施の形態で示したようにかしめ処理を行った後で溶接を行うことにより、かしめ部分で仮止めをすることができるために次のようなメリットがある。
（１）細管１１とワッシャ１３とが密着するので、溶け分かれが起き難くなる。
（２）組み易さの向上を図ることができる。すなわち、ワッシャ１３の貫通孔１４に細管１１を挿入したときには、適切な固定がないと溶接作業のときにずれてしまうため、何らかの治工具による固定が必要である。かしめをすると摩擦力で固定できるので、治工具による固定が不要になり作業性が向上する。
（３）機械的強度が向上する。すなわち、かしめ部分がない場合は、溶接後に細管に外力が加えられた際に溶接部だけで外力を受けなければならない。一方、かしめ処理を行うと、かしめ部分に摩擦力が作用し、これが溶接部の機械的強度を補助するため、頑丈で壊れ難い構造にすることができる。

【0036】

上述した実施の形態においては、ワッシャ１３にかしめ処理を施すにあたってかしめ変形部材２２を有するかしめ工具１５を使用する例を示した。しかし、本発明は、このような限定にとらわれることなく、たとえばコレットチャックのような、外側から加圧して外径を狭める装置を用いてかしめ処理を行うこともできる。

【符号の説明】

【0037】

１…細管、１２…溶接構造、１３…ワッシャ、１３ａ…大径部（他の外側面）、１３ｃ…小径部（かしめ処理により押圧される外側面）、１４…貫通孔、Ｓ１…第１工程、Ｓ２…第２工程、１５…かしめ工具、Ｓ３…第３工程。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】