皿ばね及びその製造方法
【課題】 帯材から皿ばねを成形する。
【解決手段】 帯材１０をリング状に曲げ、端部１２と端部１４を突き合わせる。帯材１０の短手方向に沿って、電子ビーム２６をデフォーカスした状態で、溶接部位２０に照射する。次に、電子ビーム２６の焦点２８を溶接溶融部２５に合わせ、電子ビーム溶接を実行する。次いで、帯材１０の短手方向に沿って、電子ビーム２６をデフォーカスした状態で溶接部位２０に照射し、さらに冷却する。これによって、溶接溶融部のデンドライト二次アーム間隔の平均値を７μｍ乃至３０μｍの範囲内とする。
【解決手段】 帯材１０をリング状に曲げ、端部１２と端部１４を突き合わせる。帯材１０の短手方向に沿って、電子ビーム２６をデフォーカスした状態で、溶接部位２０に照射する。次に、電子ビーム２６の焦点２８を溶接溶融部２５に合わせ、電子ビーム溶接を実行する。次いで、帯材１０の短手方向に沿って、電子ビーム２６をデフォーカスした状態で溶接部位２０に照射し、さらに冷却する。これによって、溶接溶融部のデンドライト二次アーム間隔の平均値を７μｍ乃至３０μｍの範囲内とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、皿ばね及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
皿ばねの製造方法としては、鋼製の平板材をプレス機でリング状に打ち抜いて成形する方法（以下、打抜き法と呼ぶ）が知られている。打抜き法では、平板材の多くの部分が廃材となり、材料歩留まりが悪い。このため、材料歩留まりのよい皿ばねの製造方法が開発されている（例えば、特許文献１〜５）。この製造方法では、鋼製の帯材をリング状に曲げ成形した後に切断し、その帯材の両端を突き合わせて溶接することによって接合し、切頭円錘筒形状に成形している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１０６２７７号公報
【特許文献２】特開平８−１３５７０６号公報
【特許文献３】特開２００１−２２５１１２号公報
【特許文献４】特開２００３−３２９０７２号公報
【特許文献５】特開２００４−２０２４９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、一般に皿ばねに使われるような鋼材（高炭素鋼、中炭素鋼、特殊鋼等）は、溶接時に割れが生じやすい。本願発明者らは、上記の文献に記載の製造方法により皿ばねを製造したところ、溶接部位での割れが高確率で発生した。また、割れが発生しなかった場合でも、溶接部位の接合強度が弱く、皿ばねとして要求される耐疲労性、引張強度等の性能を有していないことが判明した。従って、上記の文献に記載の技術のみでは製品としての皿ばねの品質を確保することができないため、実用化に至っていない。
本願は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、帯材から皿ばねを製造する技術において、溶接部位における割れの発生を防止すると共に製品として十分な品質を有する皿ばねを製造することが可能な技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明者らは、上述した実情に鑑みて、溶接部位の割れの発生の原因を検討した。その結果、溶接時の急熱や急冷によって溶接部位が硬化することが、溶接部位の割れの発生の原因となっていることを突き止めた。そこで、溶接時の温度プロファイルを制御することによって、溶接部位の割れを起こさず、かつ、製品として十分な品質を有する皿ばねを製造する方法を見出した。
【０００６】
本明細書によって開示される皿ばねの製造方法は、帯材を曲げ成形することでリング状に成形する成形工程と、リング状に成形した帯材の両端を電子ビーム溶接により接合する溶接工程と、溶接工程において生じる溶接溶融部を冷却する冷却工程とによって構成される。冷却工程では、溶接溶融部の凝固組織のデンドライト二次アーム間隔（以下、ＤＡＳIIと呼ぶ）の平均値が７μｍ乃至３０μｍとなるように冷却する。
【０００７】
上記の構成によると、帯材の両端を電子ビーム溶接することで、リング状に成形された帯材の両端が接合される。そして、電子ビーム溶接によって生じる溶接溶融部は、その凝固組織に生成されるデンドライト組織のＤＡＳIIの平均値が７μｍ乃至３０μｍとなるように冷却される。すなわち、溶接溶融部が緩やかに冷却される。これによって、溶接溶融部の割れの発生を防ぐことができ、かつ、製品として十分な品質を有する皿ばねを得ることができる。
【０００８】
さらに、本明細書は、製品として十分な品質を有する「リング状に曲げ成形した帯材の両端が溶接されている皿ばね」を提供する。この皿ばねは、溶接溶融部の凝固組織のデンドライト二次アーム間隔の平均値が７μｍ乃至３０μｍとなっている。なお、溶接溶融部とは、溶接部位のうち、帯材の両端部が溶融して相互に接合されている部位をいう。
【０００９】
上記の皿ばねは、溶接溶融部のＤＡＳIIの平均値が７μｍ乃至３０μｍであることによって、割れの防止を確保しながら、製品として十分な品質を有することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施例の皿ばねの製造方法を示す。
【図２】電子ビームによる溶接部位の予熱と後熱を説明するための図。
【図３】溶接溶融部の拡大写真を示す。
【図４】溶接溶融部のＤＡＳIIを模式的に示す。
【図５】予熱及び後熱の有無とＤＡＳIIの変化を示す。
【図６】冷却速度とＤＡＳIIの変化を示す。
【図７】本実施例の皿ばねの製造に用いた電子ビーム溶接の機械的特性試験に用いられたテストピースを示す。
【図８】四点曲げ疲労試験の方法を示す。
【図９】四点曲げ疲労試験の結果を示す。
【図１０】引張強度試験の結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
ここでは、以下の実施例に記載の技術の一部を列挙しておく。
（形態１）成形工程後であって溶接工程前に、溶接部位に電子ビームによって予熱を与える予熱工程を実行してもよい。
【００１２】
（形態２）冷却工程では、溶接部に電子ビームによって後熱を与える後熱処理を実行してもよい。
【００１３】
（形態３）冷却工程の前、もしくは冷却工程の間に焼きなまし工程を実行してもよい。
【００１４】
（形態４）予熱及び後熱のための電子ビームの照射範囲は溶接溶融部よりも広い範囲の溶接部位であってもよい。
【００１５】
（形態５）予熱及び後熱のための電子ビームの照射は、帯材からデフォーカスすることによって照射してもよい。また、予熱及び後熱のための電子ビームの照射は、電子ビームをオシレーションしながら照射してもよい。
【００１６】
（形態６）帯材の端部の形状は互いに整合するように、平面であってもよいし、凹凸を有していてもよいし、傾斜を有していてもよいし、カーブを有していてもよい。また、リング状に成形した帯材の端部同士は、同一平面上であってもよいし、重なっていてもよい。
【００１７】
（形態７）冷却工程における冷却方法は、空冷であってもよいし、炉冷であってもよいし、冷却装置による冷却であってもよい。
【００１８】
（形態８）皿ばねの外径をＤとし、皿ばねの幅をｂとすると、Ｄ／ｂ≧８となることが好ましい。
【実施例１】
【００１９】
本実施例で開示される皿ばねの製造方法を、図１と図２を用いて説明する。図１に示す帯材１０は、皿ばねの素形材である。帯材１０は例えば、ＳＫ８５（ＳＫ５），ＳＫ８５Ｍ（ＳＫ５Ｍ）、ＳＷＲＨ８２Ａ等の公知の鋼材を使用することができる。鋼材は、長尺の平板状素材がロール状に巻かれている。皿ばねを製造するためには、成形装置による成形工程と、溶接装置による溶接工程と、プレス装置によるプレス成形工程が実行される。以下、各工程について説明する。
【００２０】
（成形工程）
図１に示すように、成形装置はローラ２２，２４を備えている。ローラ２２，２４は互いに独立して図示の矢印方向に回転している。なお、ローラ２２，２４以外にも図示しない複数のローラが設置されている。ローラ２２，２４の下流には曲げガイド１１が配されている。曲げガイド１１は所定の角度で傾斜している。さらに曲げガイド１１の下流近傍には図示しないカッターが配されている。
【００２１】
帯材１０はローラ２２，２４の回転によって曲げガイド１１に送り出される。曲げガイド１１が所定の角度で傾斜しているため、曲げガイド１１に送り出された帯材１０には曲げ加工が施される。これによって、帯材１０がリング状に成形される。図１では、帯材１０の長手方向の側面の一つは、リング状に成形されることによって外周側の縁１８になる。帯材１０の長手方向のもう一方の側面は、リング状に成形されることによって内周側の縁１６になる。上記の所定の角度は、ばね製品の所望とする径に基づいて決定される。
【００２２】
帯材１０が、所定の長さまで送り出されて曲げガイド１１を通過すると、帯材１０は成形装置に配されたカッターによって切断される。このときの帯材１０の切断面は、図１では端部１４として示される。次いで、端部１２と端部１４を互いに突き合わせる。上記の所定の長さは、上記の所定の角度と同様に、ばね製品の所望とする径に基づいて決定される。なお、リング状に成形された部材の外径をＤとし、皿ばねの幅をｂとすると、Ｄ／ｂ≧８となることが好ましい。Ｄ／ｂが８未満となるとリング状への成形が困難となるためである。
【００２３】
また、端部１２と端部１４は、両者が接合可能な形状となるのであれば、図１に示す形状に限られない。たとえば、端部１２と端部１４のそれぞれの端面は、互いに整合するように、凹凸や、傾斜や、カーブを有していても良い。溶接溶融部の形状が複雑な場合、皿ばねの使用に伴う劣化によって万一溶接溶融部に割れが発生しても、溶接距離が長いために破断するまでの割れの進行を緩やかすることができる。また、端部１２と端部１４は、互いに同一平面上とならなくても、一部が重なっていてもよい。両端部が重なっていても、電子ビーム溶接によって一体となるためである。また、電子ビーム溶接によって溶接部位に膨らみが生じても、後述のバリ取り工程のときに平坦にすることができる。
【００２４】
（溶接工程）
帯材１０の両端を溶接する溶接工程を、図２を用いて説明する。図２に示すように、本実施例の電子ビーム溶接装置は、帯材１０の溶接部位に電子ビーム２６の照射が可能となっている。電子ビーム２６の焦点を溶接部位に合わせることによって、帯材１０を溶融させて溶接を行うことができる。また、電子ビーム２６の焦点をデフォーカスさせることによって、帯材１０を溶融させることなく加熱することができる。また、電子ビーム２６は、帯材１０の長手方向、または短手方向に自在にオシレーションでき、また、帯材１０に対して回転や、スライドをすることができる。電子ビーム溶接装置には、公知の電子ビーム溶接装置を使用することができる。なお、帯材１０の溶接には、電子ビーム溶接以外にも、アーク溶接やスポット溶接などが可能であるが、電子ビーム溶接は真空中で行うため、溶接部位の酸化が生じない。また、ビームのエネルギー密度が非常に高いため、溶接による熱影響が生じる部位が非常に狭く、熱歪の極めて小さな溶接が可能である。さらに、電子ビームのデフォーカスとオシレーションを制御することによって、後述する電子ビームによる溶接部位の予熱、及び後熱を、容易且つ瞬時に行うことができる。
【００２５】
上述した溶接装置により溶接を行うためには、まず、図２で示すように、リング状に成形した帯材１０を、帯材１０の端部１２と端部１４を突き合わせた状態で固定し、溶接部位２０に電子ビーム２６が照射されるように位置調整を行う。なお、帯材１０の両端を溶接する前に、溶接部位２０が予熱される。溶接部位２０を予熱することによって、帯材１０の急激な加熱が抑制され、溶接の接合強度を増大させることができる。
【００２６】
本実施例では、次に説明する予熱処理を実行する。予熱処理では、電子ビーム２６の焦点２８を帯材１０からデフォーカスさせた状態で、電子ビーム２６を溶接部位２０に照射する。次いで、電子ビーム２６を帯材１０の長手方向にオシレーションしながら、帯材１０の短手方向にスライドして、溶接部位２０に照射する。これによって、帯材１０の溶接溶融部２５を中心に、溶接部位２０全体が予熱される。予熱は、溶接溶融部２５付近の温度が４００℃程度となることが好ましい。例えば、帯材１０の短手方向の幅２１が１３．５ｍｍ、厚さが２．７ｍｍのＳＫ８５を使用した場合には、電子ビーム２６による予熱範囲（溶接部位２０）を１０ｍｍ程度、ビーム出力（電流値２０ｍＡ、電圧値６０ｋＶ）、照射時間をおよそ１．５秒とすると、溶接溶融部２５付近の温度が４００℃となる。
【００２７】
次いで、電子ビーム２６の焦点２８を、帯材１０の溶接溶融部２５に合わせて電子ビーム溶接を実行する。これによって、溶接溶融部２５の鋼材が溶融し、帯材１０の端部１２と端部１４が接合する。電子ビーム溶接の溶接条件は、皿ばねの寸法や鋼材の種類によって適宜設定することができる。例えば、上述した場合（即ち、帯材１０の短手方向の幅２１が１３．５ｍｍ、厚さが２．７ｍｍのＳＫ８５を使用した場合）では、電子ビーム２６の照射時間がおよそ１秒、ビーム出力（電流値２５ｍＡ、電圧値６０ｋＶ）、照射幅が０．２ｍｍで、溶接溶融部の幅はおよそ２ｍｍとする。なお、電子ビーム溶接は予熱工程の直後に実行されることが好ましい。これは、溶接部位２０の温度プロファイルの管理を容易にするためである。
【００２８】
次いで、冷却工程では、後熱処理が実行されることが好ましい。溶接部位２０を後熱することによって、溶接溶融部２５の冷却速度を遅くすることができる。これによって、溶接の接合強度を増大させることができる。
【００２９】
本実施例では、次に掲げる後熱処理を実行する。後熱処理では、電子ビーム２６の焦点２８を、帯材１０からデフォーカスさせた状態で、溶接部位２０に照射する。次いで、電子ビーム２６を帯材１０の長手方向にオシレーションしながら、帯材１０の短手方向にスライドして、溶接部位２０に照射する。これによって、帯材１０の溶接溶融部２５を中心に、溶接部位２０全体が予熱される。後熱は、溶接部位２０の温度が６００℃程度となることが好ましい。例えば、上述した場合（即ち、帯材１０の短手方向の幅２１が１３．５ｍｍ、厚さが２．７ｍｍのＳＫ８５を使用した場合）では、電子ビーム２６による加熱範囲（溶接部位２０）を１０ｍｍ程度、ビーム出力（電流値１５ｍＡ、電圧値６０ｋＶ）、照射時間をおよそ１．５秒とすると、溶接部位２０の温度が６００℃となる。なお、後熱工程は溶接の直後に実行されることが好ましい。これは、溶接部位２０の温度プロファイルの管理を容易にするためである。
【００３０】
引き続き冷却工程では、溶接部位２０を空冷する。一般に、空冷による冷却速度は、１０Ｋ／秒程度である。なお冷却工程は、温度プロファイルを管理できれば、空冷の他にも、公知の冷却装置を用いてもよいし、炉冷であってもよい。なお、加工硬化による内部の歪みを取り除くために、焼きなまし処理等の溶接後熱処理を行っても良い。また、冷却工程の後もしくは冷却工程の間に、溶接工程によって生じたバリを取るためのバリ取り工程を実行してもよい。バリ取り工程には、公知のトリミング加工を用いることができる。
【００３１】
（プレス成形工程）
次いで、端部が溶接された帯材１０をプレス装置によりプレス成形する。プレス装置は、円錘筒形状の成形面を有する成形用金型を備えている。成形用金型の金型面は、所定の角度で勾配を有するようにテーパー面が形成されている。なお、プレス装置は、公知のプレス加工機を使用することができる。また、打ち抜き法で使用されるプレス装置を用いることもできる。成形用金型に帯材１０をセットすると、プレス装置は帯材１０に所定の圧力を作用させることによって、帯材１０に円錘筒形状のテーパー面を成形する。これによって、図１に示されるように、切頭円錘筒形状の皿ばね２が得られる。
【００３２】
本実施例の皿ばね２の製造方法について詳しく説明した。本実施例の製造方法では、溶接の前後に予熱工程及び後熱工程を実行することによって、溶接溶融部２５の急激な加熱と冷却が抑制され、溶接時の割れの発生を防ぐことができる。実際に、予熱及び後熱を施さないで電子ビーム溶接を行った場合（比較例）では、１０点中４点の皿ばねに溶接部位２０の割れが見られた。しかしながら、本実施例の製造方法で製造した皿ばねでは、１０点とも目視レベルの割れが生じなかった。従って、帯材１０の両端を溶接して皿ばねを製造する方法において、溶接の前後に溶接部位２０に予熱及び後熱を施すことによって、割れが発生すること無く、皿ばね２を製造することができることが確認できた。従って、本実施例の製造方法によると、打ち抜き法よりも歩留まりの良い皿ばねを製造することができる。次に、本実施例で製造した皿ばね２の特徴について、以下に図を用いて説明する。
【００３３】
図３には、本実施例で製造した皿ばね２の、溶接溶融部２５の拡大写真を示す。図３に示すように、溶接溶融部２５には、電子ビーム溶接後の冷却工程によって樹枝状結晶が析出した状態が見られる。図３のスケールバーは５０μｍを表す。図４には、図３の樹枝状結晶の形状を模式化したものを示している。樹枝状結晶は、一次枝３０から枝分かれして二次枝３１が伸びている。一般に、二次枝３１間の距離３２はデンドライト二次アーム間隔（以下、ＤＡＳIIと呼ぶ）と呼ばれている。ＤＡＳIIの値は冷却速度と相関があることが知られている。ＤＡＳIIと冷却速度の関係式は、ＤＡＳII＝ａＶ−０．３で表される。ａは合金によって決まる定数であり、ＤＡＳIIは冷却速度の０．３乗に逆比例することになる。例えば、冷却速度が速ければＤＡＳIIは小さい値となり、冷却速度が遅ければＤＡＳIIは大きな値となる。従って、ＤＡＳIIは冷却速度に依存するため、予熱及び後熱を施した溶接とそうでない溶接とでは、ＤＡＳIIは大きく異なる。本実施例で実行する予熱及び後熱とＤＡＳIIの相関について、図を用いて以下に説明する。
【００３４】
図５は、帯材１０に対して本実施例の電子ビーム溶接をしてから空冷したもの（図中の白□○）と、予熱及び後熱を施さないで電子ビーム溶接を行ってから空冷したもの（図中の黒■●）との、ＤＡＳII（μｍ）の分布を示している。縦軸はＤＡＳII（μｍ）を表す。予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接では、ＤＡＳIIはおよそ５μｍとなっている（図中の黒■）。さらに、空冷後に焼きなまし等の溶接後熱処理を行った場合には、ＤＡＳIIはおよそ６μｍとなった（図中の黒●）。一方で、本実施例の電子ビーム溶接では、ＤＡＳIIはおよそ１１μｍとなっている（図中の白□）。さらに、溶接後熱処理を行った場合には、ＤＡＳIIはおよそ８μｍとなった（図中の白○）。従って、本実施例の電子ビーム溶接と予熱・後熱を行わない電子ビーム溶接とのＤＡＳIIの境界値は、実験的に７μｍとなった。
【００３５】
次いで、図６を用いて、本実施例の電子ビーム溶接と予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接のＤＡＳIIと冷却速度の関係について以下に説明する。図６の縦軸はＤＡＳIIであり、横軸は冷却速度を示している。図に示すように、本実施例の電子ビーム溶接を行ったときの冷却速度Ｖ２＝１．３Ｋ／秒となり、予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接は１０Ｋ／秒となった。従って、本実施例の冷却速度Ｖ２と比較例の冷却速度Ｖ１とは一桁オーダー異なり、明確な冷却速度の差があると言える。
【００３６】
なお、冷却速度を遅くすれほどＤＡＳIIは大きくなるが、冷却速度を遅くしすぎると抗折強度が低下してしまう。したがって、冷却工程では、炉冷（空冷よりもさらに冷却速度の遅い）以上の冷却速度で冷却することが好ましい。図６には、電子ビーム溶接後に炉冷により冷却した場合のＤＡＳIIを示している。図から明らかなように、炉冷により冷却した場合の冷却速度Ｖ３は０．０５Ｋ／秒であり、ＤＡＳII＝３０μｍであった。従って、ＤＡＳIIは３０μｍ以下となるように冷却することが好ましい。
【００３７】
次いで、本実施例の電子ビーム溶接により接合された接合部の機械的特性について、図７乃至図１０を用いて説明する。図７は、接合部の機械的特性を検査するために用いたテストピース４を示している。テストピース４は、２枚の板材の端部同士を電子ビーム溶接により接合したものであり、長手方向の長さが１００ｍｍ、短手方向の長さが１３．５ｍｍ、帯材厚さが２．７ｍｍであった。接合部（溶接溶融部）１２５は、テストピース４の長手方向のほぼ中間位置に、短手方向に横断して形成されている。図８は４点曲げ疲労試験の模式図である。テストピース４の溶接溶融部１２５が座軸間３６の中央に配されるように台座軸４２上にテストピース４を設置し、その上部から加圧軸４０をあてる。また、テストピース４の溶接溶融部１２５は、加圧軸間３４の中央に配される。加圧軸４０の上に、溶接溶融部１２５近傍に破断が生じるまで所定の負荷３８を繰り返しかける。これにより、ばね材料としての疲れ強度を測定する。
【００３８】
図９には、図８の曲げ疲労試験を、本実施例の電子ビーム溶接と、予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接とで比較した結果を示す。縦軸は上記の所定の負荷３８を表す応力振幅（ＭＰａ）、横軸は溶接溶融部１２５近傍に破断が生じるまでの上記負荷の繰り返し数（回）（対数目盛）を表す。負荷の繰り返し数が多いほど、ばね材料としての疲れ強度が高いことが示される。曲げ疲労試験には、本実施例の電子ビーム溶接と、予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接のそれぞれで製造されたテストピースの各８点について、応力振幅を３００〜５５０ＭＰａの間で変化させて計測を行った。
【００３９】
曲げ疲労試験の結果、予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接では３００乃至５５０ＭＰａの応力振幅に対して、負荷の繰り返し数が１００回乃至３００００回の間で大きなバラツキを示した。応力振幅の値と負荷の繰り返し数には相関は見られなかった。負荷の繰り返し数が１００〜３０００の間の４点は、溶接時の割れを起点とした早期折損であると考えられ、製品とした場合に十分な耐疲労性を有するとは言えない。一方で本実施例の電子ビーム溶接では、応力振幅が５５０ＭＰａのときの負荷の繰り返し数は７０００回程度であり、応力振幅が３００ＭＰａのときの負荷の繰り返し数は５００００回を示した。本実施例の電子ビーム溶接では、負荷の繰り返し数は６０００回以上に局在しており、製品とした場合に十分な耐疲労性を有すると言える。また、本実施例の電子ビーム溶接では、応力振幅と負荷の繰り返し数には逆比例の線形な相関が見られたことから、予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接よりもばね材料としての疲れ強度のバラツキが低減することができるといえる。
【００４０】
次いで、溶接溶融部１２５の継手強度を測定するため、引張試験を行った。図１０は徐冷溶接、並びに予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接で製造した皿ばね材料のテストピース４における引張試験の結果を示す。縦軸はテストピース４が破断するまでの引張荷重を示す引張強度（ＭＰａ）を表す。横軸は破断が生じるまでの上記負荷の繰り返し数（回）を表す。引張試験には、本実施例の電子ビーム溶接によって製造したテストピースの４点と、予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接によって製造したテストピースの６点について継手強度を測定し、溶接部を有さない母材のままの鋼材の４点については引張強度を測定した。
【００４１】
引張試験結果から、予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接によって製造したテストピース４の継手強度は２００乃至１４５０ＭＰａの間でバラツキが見られた。一方で、本実施例の電子ビーム溶接の場合には１４００乃至１５００ＭＰａに集中し、予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接よりも継手強度のバラツキが低減されていることが示された。また、母材そのものの引張強度は１５００ＭＰａ前後であり、予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接による継手強度は、母材の引張強度と同等であるといえる。従って、引張応力に対して、溶接溶融部１２５が原因となって破断が生じる可能性は、およそ無いといえる。
【００４２】
さらに、車両等の用途に要求される皿ばねの製品規格としてのビッカース硬さＨＶは、４００乃至５００（ＨＶ）である。このＨＶを引張強度に換算すると、およそ１２８５乃至１７００ＭＰａに相当する。従って、継手強度は１２８５ＭＰａ以上が必要である。しかしながら、図１０に示されるように、予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接によって製造したテストピース４は、６点中４点が規格を満たしていなかったが、本実施例の電子ビーム溶接の４点すべてのテストピース４が、規格を満たすことが示される。
【００４３】
以上、本実施例による皿ばね２の特徴について詳しく説明した。本実施例の皿ばねの製造方法によれば、帯材１０の溶接溶融部２５に割れを生じさせることなく、皿ばね２を製造することができる。さらに、本実施例の製造方法によって製造した皿ばね２は、品質を安定化することができ、かつ継手強度を向上する。また、本実施例によって製造された皿ばね２は、車両等の用途に要求される皿ばねの製品規格を満足することができる。従って、品質が安定し、且つ歩留まりの良い皿ばねを提供することができる。
【００４４】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００４５】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４６】
２：皿ばね、１０：帯材、１１：曲げガイド、１２，１４：端部、１６：内周側の縁、１８：外周側の縁、２０：溶接部位、２１：短手方向の幅、２２，２４：ローラ、２５：溶接溶融部、２６：電子ビーム、２８：焦点、３０：一次枝、３１：二次枝、３２：ＤＡＳII
【技術分野】
【０００１】
本発明は、皿ばね及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
皿ばねの製造方法としては、鋼製の平板材をプレス機でリング状に打ち抜いて成形する方法（以下、打抜き法と呼ぶ）が知られている。打抜き法では、平板材の多くの部分が廃材となり、材料歩留まりが悪い。このため、材料歩留まりのよい皿ばねの製造方法が開発されている（例えば、特許文献１〜５）。この製造方法では、鋼製の帯材をリング状に曲げ成形した後に切断し、その帯材の両端を突き合わせて溶接することによって接合し、切頭円錘筒形状に成形している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１０６２７７号公報
【特許文献２】特開平８−１３５７０６号公報
【特許文献３】特開２００１−２２５１１２号公報
【特許文献４】特開２００３−３２９０７２号公報
【特許文献５】特開２００４−２０２４９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、一般に皿ばねに使われるような鋼材（高炭素鋼、中炭素鋼、特殊鋼等）は、溶接時に割れが生じやすい。本願発明者らは、上記の文献に記載の製造方法により皿ばねを製造したところ、溶接部位での割れが高確率で発生した。また、割れが発生しなかった場合でも、溶接部位の接合強度が弱く、皿ばねとして要求される耐疲労性、引張強度等の性能を有していないことが判明した。従って、上記の文献に記載の技術のみでは製品としての皿ばねの品質を確保することができないため、実用化に至っていない。
本願は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、帯材から皿ばねを製造する技術において、溶接部位における割れの発生を防止すると共に製品として十分な品質を有する皿ばねを製造することが可能な技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明者らは、上述した実情に鑑みて、溶接部位の割れの発生の原因を検討した。その結果、溶接時の急熱や急冷によって溶接部位が硬化することが、溶接部位の割れの発生の原因となっていることを突き止めた。そこで、溶接時の温度プロファイルを制御することによって、溶接部位の割れを起こさず、かつ、製品として十分な品質を有する皿ばねを製造する方法を見出した。
【０００６】
本明細書によって開示される皿ばねの製造方法は、帯材を曲げ成形することでリング状に成形する成形工程と、リング状に成形した帯材の両端を電子ビーム溶接により接合する溶接工程と、溶接工程において生じる溶接溶融部を冷却する冷却工程とによって構成される。冷却工程では、溶接溶融部の凝固組織のデンドライト二次アーム間隔（以下、ＤＡＳIIと呼ぶ）の平均値が７μｍ乃至３０μｍとなるように冷却する。
【０００７】
上記の構成によると、帯材の両端を電子ビーム溶接することで、リング状に成形された帯材の両端が接合される。そして、電子ビーム溶接によって生じる溶接溶融部は、その凝固組織に生成されるデンドライト組織のＤＡＳIIの平均値が７μｍ乃至３０μｍとなるように冷却される。すなわち、溶接溶融部が緩やかに冷却される。これによって、溶接溶融部の割れの発生を防ぐことができ、かつ、製品として十分な品質を有する皿ばねを得ることができる。
【０００８】
さらに、本明細書は、製品として十分な品質を有する「リング状に曲げ成形した帯材の両端が溶接されている皿ばね」を提供する。この皿ばねは、溶接溶融部の凝固組織のデンドライト二次アーム間隔の平均値が７μｍ乃至３０μｍとなっている。なお、溶接溶融部とは、溶接部位のうち、帯材の両端部が溶融して相互に接合されている部位をいう。
【０００９】
上記の皿ばねは、溶接溶融部のＤＡＳIIの平均値が７μｍ乃至３０μｍであることによって、割れの防止を確保しながら、製品として十分な品質を有することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施例の皿ばねの製造方法を示す。
【図２】電子ビームによる溶接部位の予熱と後熱を説明するための図。
【図３】溶接溶融部の拡大写真を示す。
【図４】溶接溶融部のＤＡＳIIを模式的に示す。
【図５】予熱及び後熱の有無とＤＡＳIIの変化を示す。
【図６】冷却速度とＤＡＳIIの変化を示す。
【図７】本実施例の皿ばねの製造に用いた電子ビーム溶接の機械的特性試験に用いられたテストピースを示す。
【図８】四点曲げ疲労試験の方法を示す。
【図９】四点曲げ疲労試験の結果を示す。
【図１０】引張強度試験の結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
ここでは、以下の実施例に記載の技術の一部を列挙しておく。
（形態１）成形工程後であって溶接工程前に、溶接部位に電子ビームによって予熱を与える予熱工程を実行してもよい。
【００１２】
（形態２）冷却工程では、溶接部に電子ビームによって後熱を与える後熱処理を実行してもよい。
【００１３】
（形態３）冷却工程の前、もしくは冷却工程の間に焼きなまし工程を実行してもよい。
【００１４】
（形態４）予熱及び後熱のための電子ビームの照射範囲は溶接溶融部よりも広い範囲の溶接部位であってもよい。
【００１５】
（形態５）予熱及び後熱のための電子ビームの照射は、帯材からデフォーカスすることによって照射してもよい。また、予熱及び後熱のための電子ビームの照射は、電子ビームをオシレーションしながら照射してもよい。
【００１６】
（形態６）帯材の端部の形状は互いに整合するように、平面であってもよいし、凹凸を有していてもよいし、傾斜を有していてもよいし、カーブを有していてもよい。また、リング状に成形した帯材の端部同士は、同一平面上であってもよいし、重なっていてもよい。
【００１７】
（形態７）冷却工程における冷却方法は、空冷であってもよいし、炉冷であってもよいし、冷却装置による冷却であってもよい。
【００１８】
（形態８）皿ばねの外径をＤとし、皿ばねの幅をｂとすると、Ｄ／ｂ≧８となることが好ましい。
【実施例１】
【００１９】
本実施例で開示される皿ばねの製造方法を、図１と図２を用いて説明する。図１に示す帯材１０は、皿ばねの素形材である。帯材１０は例えば、ＳＫ８５（ＳＫ５），ＳＫ８５Ｍ（ＳＫ５Ｍ）、ＳＷＲＨ８２Ａ等の公知の鋼材を使用することができる。鋼材は、長尺の平板状素材がロール状に巻かれている。皿ばねを製造するためには、成形装置による成形工程と、溶接装置による溶接工程と、プレス装置によるプレス成形工程が実行される。以下、各工程について説明する。
【００２０】
（成形工程）
図１に示すように、成形装置はローラ２２，２４を備えている。ローラ２２，２４は互いに独立して図示の矢印方向に回転している。なお、ローラ２２，２４以外にも図示しない複数のローラが設置されている。ローラ２２，２４の下流には曲げガイド１１が配されている。曲げガイド１１は所定の角度で傾斜している。さらに曲げガイド１１の下流近傍には図示しないカッターが配されている。
【００２１】
帯材１０はローラ２２，２４の回転によって曲げガイド１１に送り出される。曲げガイド１１が所定の角度で傾斜しているため、曲げガイド１１に送り出された帯材１０には曲げ加工が施される。これによって、帯材１０がリング状に成形される。図１では、帯材１０の長手方向の側面の一つは、リング状に成形されることによって外周側の縁１８になる。帯材１０の長手方向のもう一方の側面は、リング状に成形されることによって内周側の縁１６になる。上記の所定の角度は、ばね製品の所望とする径に基づいて決定される。
【００２２】
帯材１０が、所定の長さまで送り出されて曲げガイド１１を通過すると、帯材１０は成形装置に配されたカッターによって切断される。このときの帯材１０の切断面は、図１では端部１４として示される。次いで、端部１２と端部１４を互いに突き合わせる。上記の所定の長さは、上記の所定の角度と同様に、ばね製品の所望とする径に基づいて決定される。なお、リング状に成形された部材の外径をＤとし、皿ばねの幅をｂとすると、Ｄ／ｂ≧８となることが好ましい。Ｄ／ｂが８未満となるとリング状への成形が困難となるためである。
【００２３】
また、端部１２と端部１４は、両者が接合可能な形状となるのであれば、図１に示す形状に限られない。たとえば、端部１２と端部１４のそれぞれの端面は、互いに整合するように、凹凸や、傾斜や、カーブを有していても良い。溶接溶融部の形状が複雑な場合、皿ばねの使用に伴う劣化によって万一溶接溶融部に割れが発生しても、溶接距離が長いために破断するまでの割れの進行を緩やかすることができる。また、端部１２と端部１４は、互いに同一平面上とならなくても、一部が重なっていてもよい。両端部が重なっていても、電子ビーム溶接によって一体となるためである。また、電子ビーム溶接によって溶接部位に膨らみが生じても、後述のバリ取り工程のときに平坦にすることができる。
【００２４】
（溶接工程）
帯材１０の両端を溶接する溶接工程を、図２を用いて説明する。図２に示すように、本実施例の電子ビーム溶接装置は、帯材１０の溶接部位に電子ビーム２６の照射が可能となっている。電子ビーム２６の焦点を溶接部位に合わせることによって、帯材１０を溶融させて溶接を行うことができる。また、電子ビーム２６の焦点をデフォーカスさせることによって、帯材１０を溶融させることなく加熱することができる。また、電子ビーム２６は、帯材１０の長手方向、または短手方向に自在にオシレーションでき、また、帯材１０に対して回転や、スライドをすることができる。電子ビーム溶接装置には、公知の電子ビーム溶接装置を使用することができる。なお、帯材１０の溶接には、電子ビーム溶接以外にも、アーク溶接やスポット溶接などが可能であるが、電子ビーム溶接は真空中で行うため、溶接部位の酸化が生じない。また、ビームのエネルギー密度が非常に高いため、溶接による熱影響が生じる部位が非常に狭く、熱歪の極めて小さな溶接が可能である。さらに、電子ビームのデフォーカスとオシレーションを制御することによって、後述する電子ビームによる溶接部位の予熱、及び後熱を、容易且つ瞬時に行うことができる。
【００２５】
上述した溶接装置により溶接を行うためには、まず、図２で示すように、リング状に成形した帯材１０を、帯材１０の端部１２と端部１４を突き合わせた状態で固定し、溶接部位２０に電子ビーム２６が照射されるように位置調整を行う。なお、帯材１０の両端を溶接する前に、溶接部位２０が予熱される。溶接部位２０を予熱することによって、帯材１０の急激な加熱が抑制され、溶接の接合強度を増大させることができる。
【００２６】
本実施例では、次に説明する予熱処理を実行する。予熱処理では、電子ビーム２６の焦点２８を帯材１０からデフォーカスさせた状態で、電子ビーム２６を溶接部位２０に照射する。次いで、電子ビーム２６を帯材１０の長手方向にオシレーションしながら、帯材１０の短手方向にスライドして、溶接部位２０に照射する。これによって、帯材１０の溶接溶融部２５を中心に、溶接部位２０全体が予熱される。予熱は、溶接溶融部２５付近の温度が４００℃程度となることが好ましい。例えば、帯材１０の短手方向の幅２１が１３．５ｍｍ、厚さが２．７ｍｍのＳＫ８５を使用した場合には、電子ビーム２６による予熱範囲（溶接部位２０）を１０ｍｍ程度、ビーム出力（電流値２０ｍＡ、電圧値６０ｋＶ）、照射時間をおよそ１．５秒とすると、溶接溶融部２５付近の温度が４００℃となる。
【００２７】
次いで、電子ビーム２６の焦点２８を、帯材１０の溶接溶融部２５に合わせて電子ビーム溶接を実行する。これによって、溶接溶融部２５の鋼材が溶融し、帯材１０の端部１２と端部１４が接合する。電子ビーム溶接の溶接条件は、皿ばねの寸法や鋼材の種類によって適宜設定することができる。例えば、上述した場合（即ち、帯材１０の短手方向の幅２１が１３．５ｍｍ、厚さが２．７ｍｍのＳＫ８５を使用した場合）では、電子ビーム２６の照射時間がおよそ１秒、ビーム出力（電流値２５ｍＡ、電圧値６０ｋＶ）、照射幅が０．２ｍｍで、溶接溶融部の幅はおよそ２ｍｍとする。なお、電子ビーム溶接は予熱工程の直後に実行されることが好ましい。これは、溶接部位２０の温度プロファイルの管理を容易にするためである。
【００２８】
次いで、冷却工程では、後熱処理が実行されることが好ましい。溶接部位２０を後熱することによって、溶接溶融部２５の冷却速度を遅くすることができる。これによって、溶接の接合強度を増大させることができる。
【００２９】
本実施例では、次に掲げる後熱処理を実行する。後熱処理では、電子ビーム２６の焦点２８を、帯材１０からデフォーカスさせた状態で、溶接部位２０に照射する。次いで、電子ビーム２６を帯材１０の長手方向にオシレーションしながら、帯材１０の短手方向にスライドして、溶接部位２０に照射する。これによって、帯材１０の溶接溶融部２５を中心に、溶接部位２０全体が予熱される。後熱は、溶接部位２０の温度が６００℃程度となることが好ましい。例えば、上述した場合（即ち、帯材１０の短手方向の幅２１が１３．５ｍｍ、厚さが２．７ｍｍのＳＫ８５を使用した場合）では、電子ビーム２６による加熱範囲（溶接部位２０）を１０ｍｍ程度、ビーム出力（電流値１５ｍＡ、電圧値６０ｋＶ）、照射時間をおよそ１．５秒とすると、溶接部位２０の温度が６００℃となる。なお、後熱工程は溶接の直後に実行されることが好ましい。これは、溶接部位２０の温度プロファイルの管理を容易にするためである。
【００３０】
引き続き冷却工程では、溶接部位２０を空冷する。一般に、空冷による冷却速度は、１０Ｋ／秒程度である。なお冷却工程は、温度プロファイルを管理できれば、空冷の他にも、公知の冷却装置を用いてもよいし、炉冷であってもよい。なお、加工硬化による内部の歪みを取り除くために、焼きなまし処理等の溶接後熱処理を行っても良い。また、冷却工程の後もしくは冷却工程の間に、溶接工程によって生じたバリを取るためのバリ取り工程を実行してもよい。バリ取り工程には、公知のトリミング加工を用いることができる。
【００３１】
（プレス成形工程）
次いで、端部が溶接された帯材１０をプレス装置によりプレス成形する。プレス装置は、円錘筒形状の成形面を有する成形用金型を備えている。成形用金型の金型面は、所定の角度で勾配を有するようにテーパー面が形成されている。なお、プレス装置は、公知のプレス加工機を使用することができる。また、打ち抜き法で使用されるプレス装置を用いることもできる。成形用金型に帯材１０をセットすると、プレス装置は帯材１０に所定の圧力を作用させることによって、帯材１０に円錘筒形状のテーパー面を成形する。これによって、図１に示されるように、切頭円錘筒形状の皿ばね２が得られる。
【００３２】
本実施例の皿ばね２の製造方法について詳しく説明した。本実施例の製造方法では、溶接の前後に予熱工程及び後熱工程を実行することによって、溶接溶融部２５の急激な加熱と冷却が抑制され、溶接時の割れの発生を防ぐことができる。実際に、予熱及び後熱を施さないで電子ビーム溶接を行った場合（比較例）では、１０点中４点の皿ばねに溶接部位２０の割れが見られた。しかしながら、本実施例の製造方法で製造した皿ばねでは、１０点とも目視レベルの割れが生じなかった。従って、帯材１０の両端を溶接して皿ばねを製造する方法において、溶接の前後に溶接部位２０に予熱及び後熱を施すことによって、割れが発生すること無く、皿ばね２を製造することができることが確認できた。従って、本実施例の製造方法によると、打ち抜き法よりも歩留まりの良い皿ばねを製造することができる。次に、本実施例で製造した皿ばね２の特徴について、以下に図を用いて説明する。
【００３３】
図３には、本実施例で製造した皿ばね２の、溶接溶融部２５の拡大写真を示す。図３に示すように、溶接溶融部２５には、電子ビーム溶接後の冷却工程によって樹枝状結晶が析出した状態が見られる。図３のスケールバーは５０μｍを表す。図４には、図３の樹枝状結晶の形状を模式化したものを示している。樹枝状結晶は、一次枝３０から枝分かれして二次枝３１が伸びている。一般に、二次枝３１間の距離３２はデンドライト二次アーム間隔（以下、ＤＡＳIIと呼ぶ）と呼ばれている。ＤＡＳIIの値は冷却速度と相関があることが知られている。ＤＡＳIIと冷却速度の関係式は、ＤＡＳII＝ａＶ−０．３で表される。ａは合金によって決まる定数であり、ＤＡＳIIは冷却速度の０．３乗に逆比例することになる。例えば、冷却速度が速ければＤＡＳIIは小さい値となり、冷却速度が遅ければＤＡＳIIは大きな値となる。従って、ＤＡＳIIは冷却速度に依存するため、予熱及び後熱を施した溶接とそうでない溶接とでは、ＤＡＳIIは大きく異なる。本実施例で実行する予熱及び後熱とＤＡＳIIの相関について、図を用いて以下に説明する。
【００３４】
図５は、帯材１０に対して本実施例の電子ビーム溶接をしてから空冷したもの（図中の白□○）と、予熱及び後熱を施さないで電子ビーム溶接を行ってから空冷したもの（図中の黒■●）との、ＤＡＳII（μｍ）の分布を示している。縦軸はＤＡＳII（μｍ）を表す。予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接では、ＤＡＳIIはおよそ５μｍとなっている（図中の黒■）。さらに、空冷後に焼きなまし等の溶接後熱処理を行った場合には、ＤＡＳIIはおよそ６μｍとなった（図中の黒●）。一方で、本実施例の電子ビーム溶接では、ＤＡＳIIはおよそ１１μｍとなっている（図中の白□）。さらに、溶接後熱処理を行った場合には、ＤＡＳIIはおよそ８μｍとなった（図中の白○）。従って、本実施例の電子ビーム溶接と予熱・後熱を行わない電子ビーム溶接とのＤＡＳIIの境界値は、実験的に７μｍとなった。
【００３５】
次いで、図６を用いて、本実施例の電子ビーム溶接と予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接のＤＡＳIIと冷却速度の関係について以下に説明する。図６の縦軸はＤＡＳIIであり、横軸は冷却速度を示している。図に示すように、本実施例の電子ビーム溶接を行ったときの冷却速度Ｖ２＝１．３Ｋ／秒となり、予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接は１０Ｋ／秒となった。従って、本実施例の冷却速度Ｖ２と比較例の冷却速度Ｖ１とは一桁オーダー異なり、明確な冷却速度の差があると言える。
【００３６】
なお、冷却速度を遅くすれほどＤＡＳIIは大きくなるが、冷却速度を遅くしすぎると抗折強度が低下してしまう。したがって、冷却工程では、炉冷（空冷よりもさらに冷却速度の遅い）以上の冷却速度で冷却することが好ましい。図６には、電子ビーム溶接後に炉冷により冷却した場合のＤＡＳIIを示している。図から明らかなように、炉冷により冷却した場合の冷却速度Ｖ３は０．０５Ｋ／秒であり、ＤＡＳII＝３０μｍであった。従って、ＤＡＳIIは３０μｍ以下となるように冷却することが好ましい。
【００３７】
次いで、本実施例の電子ビーム溶接により接合された接合部の機械的特性について、図７乃至図１０を用いて説明する。図７は、接合部の機械的特性を検査するために用いたテストピース４を示している。テストピース４は、２枚の板材の端部同士を電子ビーム溶接により接合したものであり、長手方向の長さが１００ｍｍ、短手方向の長さが１３．５ｍｍ、帯材厚さが２．７ｍｍであった。接合部（溶接溶融部）１２５は、テストピース４の長手方向のほぼ中間位置に、短手方向に横断して形成されている。図８は４点曲げ疲労試験の模式図である。テストピース４の溶接溶融部１２５が座軸間３６の中央に配されるように台座軸４２上にテストピース４を設置し、その上部から加圧軸４０をあてる。また、テストピース４の溶接溶融部１２５は、加圧軸間３４の中央に配される。加圧軸４０の上に、溶接溶融部１２５近傍に破断が生じるまで所定の負荷３８を繰り返しかける。これにより、ばね材料としての疲れ強度を測定する。
【００３８】
図９には、図８の曲げ疲労試験を、本実施例の電子ビーム溶接と、予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接とで比較した結果を示す。縦軸は上記の所定の負荷３８を表す応力振幅（ＭＰａ）、横軸は溶接溶融部１２５近傍に破断が生じるまでの上記負荷の繰り返し数（回）（対数目盛）を表す。負荷の繰り返し数が多いほど、ばね材料としての疲れ強度が高いことが示される。曲げ疲労試験には、本実施例の電子ビーム溶接と、予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接のそれぞれで製造されたテストピースの各８点について、応力振幅を３００〜５５０ＭＰａの間で変化させて計測を行った。
【００３９】
曲げ疲労試験の結果、予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接では３００乃至５５０ＭＰａの応力振幅に対して、負荷の繰り返し数が１００回乃至３００００回の間で大きなバラツキを示した。応力振幅の値と負荷の繰り返し数には相関は見られなかった。負荷の繰り返し数が１００〜３０００の間の４点は、溶接時の割れを起点とした早期折損であると考えられ、製品とした場合に十分な耐疲労性を有するとは言えない。一方で本実施例の電子ビーム溶接では、応力振幅が５５０ＭＰａのときの負荷の繰り返し数は７０００回程度であり、応力振幅が３００ＭＰａのときの負荷の繰り返し数は５００００回を示した。本実施例の電子ビーム溶接では、負荷の繰り返し数は６０００回以上に局在しており、製品とした場合に十分な耐疲労性を有すると言える。また、本実施例の電子ビーム溶接では、応力振幅と負荷の繰り返し数には逆比例の線形な相関が見られたことから、予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接よりもばね材料としての疲れ強度のバラツキが低減することができるといえる。
【００４０】
次いで、溶接溶融部１２５の継手強度を測定するため、引張試験を行った。図１０は徐冷溶接、並びに予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接で製造した皿ばね材料のテストピース４における引張試験の結果を示す。縦軸はテストピース４が破断するまでの引張荷重を示す引張強度（ＭＰａ）を表す。横軸は破断が生じるまでの上記負荷の繰り返し数（回）を表す。引張試験には、本実施例の電子ビーム溶接によって製造したテストピースの４点と、予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接によって製造したテストピースの６点について継手強度を測定し、溶接部を有さない母材のままの鋼材の４点については引張強度を測定した。
【００４１】
引張試験結果から、予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接によって製造したテストピース４の継手強度は２００乃至１４５０ＭＰａの間でバラツキが見られた。一方で、本実施例の電子ビーム溶接の場合には１４００乃至１５００ＭＰａに集中し、予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接よりも継手強度のバラツキが低減されていることが示された。また、母材そのものの引張強度は１５００ＭＰａ前後であり、予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接による継手強度は、母材の引張強度と同等であるといえる。従って、引張応力に対して、溶接溶融部１２５が原因となって破断が生じる可能性は、およそ無いといえる。
【００４２】
さらに、車両等の用途に要求される皿ばねの製品規格としてのビッカース硬さＨＶは、４００乃至５００（ＨＶ）である。このＨＶを引張強度に換算すると、およそ１２８５乃至１７００ＭＰａに相当する。従って、継手強度は１２８５ＭＰａ以上が必要である。しかしながら、図１０に示されるように、予熱及び後熱処理を施さない電子ビーム溶接によって製造したテストピース４は、６点中４点が規格を満たしていなかったが、本実施例の電子ビーム溶接の４点すべてのテストピース４が、規格を満たすことが示される。
【００４３】
以上、本実施例による皿ばね２の特徴について詳しく説明した。本実施例の皿ばねの製造方法によれば、帯材１０の溶接溶融部２５に割れを生じさせることなく、皿ばね２を製造することができる。さらに、本実施例の製造方法によって製造した皿ばね２は、品質を安定化することができ、かつ継手強度を向上する。また、本実施例によって製造された皿ばね２は、車両等の用途に要求される皿ばねの製品規格を満足することができる。従って、品質が安定し、且つ歩留まりの良い皿ばねを提供することができる。
【００４４】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００４５】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４６】
２：皿ばね、１０：帯材、１１：曲げガイド、１２，１４：端部、１６：内周側の縁、１８：外周側の縁、２０：溶接部位、２１：短手方向の幅、２２，２４：ローラ、２５：溶接溶融部、２６：電子ビーム、２８：焦点、３０：一次枝、３１：二次枝、３２：ＤＡＳII
【特許請求の範囲】
【請求項１】
皿ばねの製造方法であって、
帯材を曲げ成形することでリング状に成形する成形工程と、
リング状に成形した帯材の両端を電子ビーム溶接により接合する溶接工程と、
溶接工程において生じる溶接溶融部を冷却する冷却工程と、を備えており、
冷却工程では、溶接溶融部の凝固組織のデンドライト二次アーム間隔の平均値が７μｍ乃至３０μｍとなるように冷却することを特徴とする皿ばねの製造方法。
【請求項２】
リング状に曲げ成形した帯材の両端が溶接されている皿ばねであって、溶接溶融部の凝固組織のデンドライト二次アーム間隔の平均値が７μｍ乃至３０μｍであることを特徴とする皿ばね。
【請求項１】
皿ばねの製造方法であって、
帯材を曲げ成形することでリング状に成形する成形工程と、
リング状に成形した帯材の両端を電子ビーム溶接により接合する溶接工程と、
溶接工程において生じる溶接溶融部を冷却する冷却工程と、を備えており、
冷却工程では、溶接溶融部の凝固組織のデンドライト二次アーム間隔の平均値が７μｍ乃至３０μｍとなるように冷却することを特徴とする皿ばねの製造方法。
【請求項２】
リング状に曲げ成形した帯材の両端が溶接されている皿ばねであって、溶接溶融部の凝固組織のデンドライト二次アーム間隔の平均値が７μｍ乃至３０μｍであることを特徴とする皿ばね。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図３】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−２１６２４（Ｐ２０１１−２１６２４Ａ）
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６４６０５（Ｐ２００９−１６４６０５）
【出願日】平成２１年７月１３日（２００９．７．１３）
【出願人】（０００２１０９８６）中央発條株式会社 (173)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１３日（２００９．７．１３）
【出願人】（０００２１０９８６）中央発條株式会社 (173)
【Ｆターム（参考）】
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