JPH0767632B2

JPH0767632B2 - ハニカム体用帯材及びハニカム体の製造方法

Info

Publication number: JPH0767632B2
Application number: JP2145479A
Authority: JP
Inventors: 勝宏南田; 基城戸; 敦史杉橋; 彰石橋; 直也浜田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-06-05
Filing date: 1990-06-05
Publication date: 1995-07-26
Anticipated expiration: 2010-07-26
Also published as: JPH0446689A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、自動車等のエンジンより排出するガスを触媒
を用いて浄化する際、この触媒を担持するための支持体
（担体）等に用いられるハニカム体用帯材及びハニカム
体の製造方法に関するものである。

［従来の技術］従来、排ガス浄化用の触媒担体は、コージェライトを主
成分とするセラミックハニカム体が主体であるが、セラ
ミックスの特性から衝撃に対して弱く破損しやすい等の
問題があり、最近これに代るべきものとしてメタル担体
が開発され、一部すでに実用化されている。

メタル担体はステンレス鋼や耐食性高合金鋼を50μｍ前
後の箔とし、これを波形に形成した波箔および平箔を重
ねて、巻回しあるいは積層してハニカム状の筒体を作っ
て、これを同じくステンレス、高合金鋼等よりなる厚さ
１〜2mm程度の外筒内に入れ、このハニカム体を構成す
る波箔と平箔の接触部およびハニカム体外周と外筒内周
を、ろう材でろう付けして固定して製造されている。

このろう付け法では、ハニカム体および外筒がほぼ全面
的に接合され、リジッドな構造となるが、このような担
体を自動車エンジン排気ガス系に搭載すると、走行中の
振動は勿論のことであるが、急熱−急冷という熱サイク
ルが繰り返されて熱応力を受け、特に外筒付近のハニカ
ム体には応力が集中する傾向にあり、その結果、箔接合
部の剥離や、亀裂が生じることがある。このような不都
合を工夫したいくつかの提案があるが、これを実現する
には工程が複雑になることから抜本的な解決策とはなっ
ていない。一方、ろう合金およびろう付け処理が高価で
あり、この方法を用いる限りコストの問題は解決されな
い。

ろう付け法に代るものとして近時、多くの提案がみられ
る。レーザー、電子ビーム、等の高密度エネルギーを利
用したり、抵抗溶接による方法があり、例えば、特開昭
62−71547号公報には平板（箔）と波板（箔）をスポッ
ト溶接した後、これを巻き込んでハニカム体を構成する
ことが開示されているが、スポット溶接での平箔と波箔
の高精度の位置制御を必要とし、また、溶接に関わる時
間に関して、平箔と波箔の送りを間欠にする必要があ
る。これでは、１枚の平箔と波箔は接合されているもの
の隣接する板とは接合されていないため、ハニカム体の
軸方向に力が加わると、軸方向にたけのこ状にずれてし
まう可能性がある。また、特開昭64−40180号公報には
平板と波板を、位相を180゜ずらせて巻き込む過程で外
部より２個の電極を１組とし、これを１組以上並べて抵
抗溶接する方法が提案されている。しかし、この方法に
よれば、溶接はコア円周上の特定範囲しか行えず、電極
配置数に制限があり、また溶接工程と巻き込み工程が直
列になり、さらに溶接は、さみだれ的であるため、製造
に時間がかかり生産性に問題がある。

［発明が解決しようとする課題］本発明は平箔と波箔の溶接を側面からの重ね合わせ溶接
を行うのでなく、平箔と波箔を漸近させて構成するＶ型
開先の開口部側からレーザービームを投入し、Ｖ型開先
形状によるレーザービームの収斂効果を付加して、平箔
と波箔の接触部を直接溶融し溶接するものであり、平箔
波箔の位置制御および焦点位置制御を大幅に緩和し連続
で安定な平箔と波箔の溶接を可能とするものである。こ
れにより、平箔と波箔の接触部のみにて溶接し波箔の殆
どの部分にて溶融または熱影響による歪がなく、素材の
弾性特性を保持出来る。このためハニカム体にした時に
構造的に柔軟であり、エンジン稼動中に起こる熱応力を
十分に緩和できる。耐久性の優れたメタル担体等のハニ
カム体の製造方法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を要旨
とする。すなわち、 1.平箔と波箔を重ね合わせて接合するハニカム体用帯材
の製造方法に於いて、平箔と波箔を漸近させＶ形開先を
形成し、その開口部からレーザビームを投入し、平箔と
波箔の接触部にて溶接したことを特徴とするハニカム体
用帯材の製造方法。

2.上記１項記載の方法で製造したハニカム体用帯材を巻
回させ、巻回開始部に生じたハニカム体用帯材間で構成
した漸近部のＶ形開先の開口部側からレーザビームを投
入したハニカム体用帯材間の溶接を行うこと特徴とする
ハニカム体の製造方法。

3.レーザビームがＱスイッチCO₂レーザビームであるこ
とを特徴とする上記１項又は２項記載の製造方法。

である。

以下本発明を詳細に説明する。

［作用］本発明で使用する箔は、Alを含有するステンレス鋼、あ
るいはFe−Cr−Al系の耐熱性高合金などからなり、厚さ
100μｍ以下、好ましくは50μｍ前後のものである。平
箔と波箔の幅でハニカム体に構成したときの軸方向の長
さは、製品のよって異なるが、凡そ160mm以下である。

本発明は平箔と波箔との接合を重ね溶接するのでなく、
平箔と波箔を漸近させ、これから接合すべき部分から接
触させてその手前部分を開いた状態にする。すなわち、
Ｖ形開先を形成し、その開口部側からレーザビームを投
入し、その焦点をＶ形開先の頂点で平箔と波箔の接触域
に設定する。これによって、レーザビームは平箔と波箔
の接触部を含む両箔に照射され、接触部より僅か離れた
両箔の表面に照射されたレーザビームは箔表面の波長吸
収特性によって一部は吸収されるが、多くのレーザビー
ムは反射してＶ開先の頂点近傍に収斂し、直接照射され
たレーザビームと重なり、エネルギー密度を上げ、平箔
と波箔の接触部近傍を溶融し溶接が行われる。

このように、レーザビームのＶ開先照射とそれによるＶ
頂点での収斂方式による溶接であり、Ｖ開先の形成にお
いて、波箔の突部による接触位置が変動しても、レーザ
ビームの集光状態に変動が殆どなく、安定な平箔と波箔
の接合を可能としている。

レーザビームはハニカムを形成する幅に対して帯状ビー
ムまたはスキャンビームでもよい。また、レーザはYAG
レーザおよびCO₂レーザによる連続出力またはパルス出
力のいずれでもよい。Ｖ開先内での収斂の効率はレーザ
ビームの照射条件と共にレーザビームの鋼板表面での反
射特性（反射率＝１−吸収率）によって決まる。第11図
に示すように、YAGレーザ（波長1.06μｍ）の約60％の
反射率に対してCO₂レーザ（波長10.6μｍ）は90％以上
の反射率となり、集光効率はCO₂レーザが高い。また、
レーザ出力は連続出力またはパルス出力でよいが、素材
としての平箔と波箔の厚さが薄い場合は入熱量は少なく
し溶け落ち等の溶接欠陥を少なくする必要があり、入熱
量が低いがエネルギー密度を高められるパルス出力が安
定溶接範囲が広く得られる。例えば、ＱスイッチCO₂レ
ーザビームは入熱量は低いが、ピーク値が高くエネルギ
ー密度が高い、パルス出力の繰り返しが高いなどのた
め、安定溶接範囲が広く得られるので箔の溶接には好ま
しい。

次に、本発明のハニカム体用帯材およびハニカム体の製
造方法を図に示す例によって具体的に説明する。

第１図は平箔１と波箔２をガイドロール３と成形ギア４
および金属製のスクイズロール５と金属製のスクイズギ
ア６によって漸近させ、そのＶ開先にレーザビーム７を
集光レンズ８で集光し集光ビーム９を照射する。これに
より平箔１と波箔２の接触部が溶接され、ハニカム体用
帯材10が出来る。ハニカム体用帯材10の接合速度ｖはド
ライブロール11とドライブギア12によって決まる。成形
ギア４は平箔を波箔に成形するものであり、第１図のよ
うにシリーズにて加工しても、また、別のラインにて加
工してもよいが、この場合は成形ギアは不要であり単な
るガイドロールでよい。ガイドロールとガイドギアは回
転に関して自由にして、平箔と波箔が必ず接触するよう
に力を加えておきＶ開先形状を保持させる。

第２図は第１図の平箔１と波箔２の接合状態を拡大示し
たものであり、スクイズ点13の前後にて波箔の凸部27が
接触するが、この接触部がレーザ照射によって溶融し溶
接される。第２図ではスクイズ点にて凸部27が接触して
接合されるが、この状態を必ず保持する制御は不要であ
る。

第３図は、凸部がスクイズ点以外に来た場合を示してい
る。第３図（ａ）は凸部がスクイズ点に来た場合であ
り、第３図（ｂ）は凸部がスクイズ点より上側に来た場
合で、そのずれ量l₁である。この場合において、レーザ
ビームの焦点深度を深くする必要があるが、必ずしも焦
点深度をこのずれ量以上にする必要はない。すなわち、
本発明は照射点の形状によりＶ開先形状の頂点以外に照
射されたレーザビームは平箔と波箔の表面で反射しＶ開
先の頂点方向に収斂するので、見掛けの焦点深度は大幅
に拡大し、ずれ量が生じても緩和できる。例えば、波箔
のピッチが2.5mmの場合、焦点距離75mmのレンズを使用
して見掛けの焦点深度を±3.0mmを得ることができた。
この場合の予測される最大のずれ量は±1.25mmであり、
本発明は安定な溶接を提供する技術である。第３図
（ｃ）は凸部がスクイズ点より下側に来てずれ量l₂を生
じた場合であり、（ｂ）の場合と同様な作用が行われ
る。

第４図はスクイズ点付近にて平箔に波箔の凸部が１点と
２点で接触する状態を示している。第４図（ａ）は２点
の場合、第４図（ｂ）は１点での接触であり、いずれの
場合もレーザビームは上側の接触部に集束し溶接が行わ
れる。

第５図は帯状レーザビームの投入による平箔と波箔の接
合を示すものである。帯状レーザビーム７をシリンドリ
カルレンズ８にて線状集光ビームにし、Ｖ開先に投入す
る。このとき連続出力の帯状レーザビームを用いれば、
平箔と波箔の接合状態は点付け溶接でなく連続溶接にな
り、或いは、例えば繰返し周波数が10KHzで数10mJの、
ＱスイッチCO₂レーザをスキャンした帯状レーザビーム
を用いれば、平箔と波箔の接合状態は間隔の狭い点付け
溶接となる。

第６図はパルスレーザによるスキャンビームによる平箔
と波箔との接合を示すものである。パルスレーザビーム
７をポリゴンスキャンミラー14と曲面ミラー15によって
幅広のビームに変換し、シリンドリカルレンズ８によっ
て線状の集光ビームにし、平箔と波箔によって構成した
Ｖ開先内に投入し溶接する。この場合は点付け溶接にな
る。パルスビームによるＶ開先内の溶接は、パルスのエ
ネルギーを少なくし、ピーク値を高く出来るので、箔の
表面を高速で溶融し、入熱量を少なく、投入時間が短い
ので、安定な点付け溶接となり、また、箔の溶接で発生
しやすい溶接欠陥の溶け落ちを防止する効果が高い。

第７図は、本発明によるハニカム体用帯材10を巻回して
ハニカム体を製造する方法を示したもので、巻回機構16
とスクイズロール17によってハニカム体用帯材10を巻回
し、ガイドロール18とガイドギア19によってハニカム体
用帯材10の波箔と巻回ハニカム体用帯材の平箔によるＶ
開先を形成し、投入されたレーザビーム7aを集光レンズ
8aによって集光したレーザビーム9aをＶ開先内に投入
し、溶接を行う。この溶接はハニカム体用帯材を製作す
る方法を説明した第１図から第６図の説明がそのまま適
用出来るものである。

このように製造されたハニカム体は第８図に示すように
円形外筒20に収納され、公知の溶接法によって溶接さ
れ、ハニカム体用帯材がはずれることなしに固定され
る。また、第９図に示すように、既述の方法で製造した
ハニカム体用帯材を所望の長さに切断し、これを多数積
層してハニカム体となし、これを角形外筒21に収納した
後ハニカム体と外筒とを固定ないし接合する。

第10図にＱスイッチCO₂レーザの発振構成を示す。出力
透過鏡22と全反射鏡23によって構成されている共振系の
中に共焦点になるようにレンズ24とレンズ25を設定す
る。その焦点にチョッパー26を挿入し高速回転すること
によって共振器Ｑ値の制御を行う。すなわち、チョッパ
ーがOFFのときレーザ励起準位への蓄積を行わせ、その
後にチョッパーがONにて共振器のＱ値を急激に大きくす
る。これによって尖頭値の高い高速繰り返しのパルスレ
ーザを発生させる。

［実施例］以下、本発明の実施例を示す。

（実施例１）ノーマルパルスYAGレーザを用いて、パルス繰り返し数1
00PPSで、パルスエネルギーを10mJにして、15％Cr、4.5
％Alを含有するフェライト質ステンレス鋼よりなる50μ
ｍ厚さの箔を120mm幅の平箔と波箔に加工し、第１図と
第７図に示す方法にて、平箔と波箔のレーザビームによ
るＶ開先溶接を速度10m/min、およびそれによってでき
たハニカム体用帯材の巻回とハニカムシートのレーザビ
ームによるＶ開先の溶接を速度10m/minの高速溶接が出
来た。このハニカムをSUS304ステンレス製の外筒に収納
し、第８図に示すメタル担体を製造した。完成したメタ
ル担体をエンジンの排気系に接続した。該排気系で担体
温度を850℃に維持、300時間連続運転した。その結果、
外筒とハニカム体間、あるいはハニカム体内部で軸方向
のズレ、損傷はなく、耐久試験に合格できた。

（実施例２）レーザ出力1kWのCO₂を用いて、100mmの帯状ビームに
し、焦点距離75mmのシリンドリカルレンズを用いて、15
％Cr、4.5％Alを含有するフェライト質ステンレス鋼よ
りなる50μｍ厚さの箔を100mm幅の平箔と波箔に加工
し、第１図と第７図に示す方法にて、平箔と波箔のレー
ザビームによるＶ開先溶接を速度7m/min、およびそれに
よってできたハニカム体用帯材の巻回とハニカム体用帯
材のレーザビームによるＶ開先の溶接を速度7m/minの高
速溶接が出来た。このハニカムをSUS304ステンレス製の
外筒に収納し、第８図に示すメタル担体を製造した。完
成したメタル担体を実施例１と同様に試験した。その結
果、外筒とハニカム体間、あるいはハニカム体内部で軸
方向のズレ、損傷はなく、耐久試験に合格できた。

（実施例３）ＱスイッチCO₂レーザを用いて、パルス繰り返し数12kHz
で、パルスエネルギーを10mJにして、15％Cr、4.5％Al
を含有するフェライト質ステンレス鋼よりなる50μｍ厚
さの箔を120mm幅の平箔と波箔に加工し、第１図と第７
図に示す方法にて、平箔と波箔のレーザビームによるＶ
開先溶接を速度15m/min、およびそれによってできたハ
ニカム体用帯材の巻回とハニカムシートのレーザビーム
によるＶ開先の溶接を速度15m/minの高速溶接が出来
た。このハニカムをSUS304ステンレス製の外筒に収納
し、第８図に示すメタル担体を製造した。完成したメタ
ル担体を実施例１と同様に試験した。その結果、外筒と
ハニカム体間、あるいはハニカム体内部で軸方向のズ
レ、損傷はなく、耐久試験に合格できた。

（実施例４）ＱスイッチCO₂レーザを用いて、パルス繰り返し数12kHz
で、パルスエネルギーを20mJにして、焦点距離75mmのシ
リンドリカルレンズを用いて、15％Cr、4.5％Alを含有
するフェライト質ステンレス鋼よりなる100μｍ厚さの
箔を120mm幅の平箔と波箔に加工し、第１図と第７図に
示す方法にて、平箔と波箔のレーザビームによるＶ開先
溶接を速度10m/min、およびそれによってできたハニカ
ム体用帯材の巻回とハニカムシートのレーザビームによ
るＶ開先の溶接を速度10m/minの高速溶接が出来た。

［発明の効果］以上説明したように本発明によって得たハニカム体用帯
材又はハニカム体は、接合と巻回が高速で安定にオンラ
イン生産が可能となり極めて効率的であると共にハニカ
ム自体が柔軟な構造であるため、すなわち、軸方向およ
び半径方向の何れにおいても接合強さは十分に備えた上
で熱応力を緩和できる構造となっており、耐久性に優
れ、工業的価値の極めて高いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の平箔と波箔を接合する、Ｖ開
先内のレーザビームによる溶接状況の説明図、第５図お
よび第６図はＶ開先内にレーザビームを投入する方法の
説明図、第７図は本発明によるハニカム体を製造する方
法の説明図、第８図および第９図は本発明の実施例の説
明図、第10図はＱスイッチCO₂レーザの発振器の構成を
示す概念図、第11図はレーザビームの波長と吸収率との
関係を示す図である。１……平箔、２……波箔、３……ガイドロール、４……
成形ロール、５……スクイズロール、６……スクイズギ
ア、7,9……レーザビーム、８……シリドリカルレン
ズ、10……ハニカム体用帯材、11……ドライブロール、
12……ドライブギア、14……ポリゴンスキャナーミラ
ー、15……曲面ミラー、20,21……外筒、22……出力透
過鏡、23……全反射鏡、24,25……集光レンズ、26……
チョッパー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者浜田直也神奈川県相模原市淵野辺５―10―１新日本製鐵株式会社第２技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平箔と波箔を重ね合わせて接合するハニカ
ム体用帯材の製造方法に於いて、平箔と波箔を漸近させ
Ｖ形開先を形成し、その開口部からレーザービームを投
入し、平箔と波箔の接触部にて溶接したことを特徴とす
るハニカム体用帯材の製造方法。
【請求項２】請求項１に記載の方法で製造したハニカム
体用帯材を巻回させ、巻回開始部に生じたハニカム体用
帯材間で構成した漸近部のＶ形開先の開口部側からレー
ザービームを投入しハニカム体用帯材間の溶接を行うこ
とを特徴とするハニカム体の製造方法。
【請求項３】レーザービームがＱスイッチCO₂レーザー
ビームであることを特徴とする請求項１又は２記載の製
造方法。