(57)【要約】【課題】溶接パラメータや設備を変更せずに、溶接部の疲労強度を向上させることができる溶接用構造材料および溶接継手の提供。【解決手段】溶接用構造材料２０の表層部２２Ａ，２２Ｂに、表面に沿う方向（矢印Ｃ方向）の圧縮残留応力をもたせることによって、溶接用構造材料２０からなる第１，第２板材３１，３２を隅肉溶接により接合する際に、溶接金属３４と各表層部２２Ａとの各境界の近傍に位置する各表層部２２Ａの部分が、加熱されて圧縮残留応力を開放して膨張するようにし、これによって、溶接金属３４の凝固収縮により溶接部３３に生じる引張残留応力を低減するようにした。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接の母材として用いられ、溶接される前にあっては、表層部が表面に沿う方向の圧縮残留応力を有することを特徴とする溶接用構造材料。
【請求項２】
前記表層部が、引張荷重を付与された状態の金属材料の周囲に鋳込まれてなることを特徴とする請求項１記載の溶接用構造材料。
【請求項３】
２つの溶接用構造材料を隅肉溶接により接合する溶接継手において、前記２つの溶接用構造材料の少なくとも一方が、請求項１または２記載の溶接用構造材料からなることを特徴とする溶接継手。
【請求項４】
作業機械の作業機を構成する作業部材にあって、この作業部材の外形を形成する中空体と、この中空体内に配置される隔壁とを接合するものであることを特徴とする請求項３記載の溶接継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接の母材となる溶接用構造材料、および、２つの溶接用構造材料を隅肉溶接により接合する溶接継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接継手は、例えば、油圧ショベルの作業機を構成する作業部材に適用されている。つまり、作業部材は、自身の外形を形成する中空体と、この中空体内に配置され、中空体の歪みを防止する隔壁とを有していて、これら中空体と隔壁とが、隅肉溶接により接合されている。
【０００３】
油圧ショベルの作業機に対しては作業中に繰り返し荷重が与えられるので、中空体と隔壁とを接合する溶接部には、十分な疲労強度をもたせる必要がある。しかし、母材である中空体や隔壁と、溶接金属との境界は、溶接金属の凝固収縮により引張残留応力が生じるので、溶接部の周辺部分よりも疲労強度が低下する。特に、境界の止端は、応力集中が生じるので、他の部分よりも疲労亀裂が生じやすくなる。
【０００４】
前記引張残留応力を低減させる従来技術としては、例えば特許文献１に示されるものがある。この従来技術では、常温で変態膨張するように組成を変更された溶接材料が使用されていて、その変態膨張によって、溶接金属と母材との境界に圧縮残留応力を付与している。
【特許文献１】特開２００３−２５１４９３公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述した従来技術では、溶接材料の変態膨張を利用して、母材と溶接金属との境界に圧縮残留応力を付与することによって、溶接部の疲労強度を向上させることができるものの、溶接材料の組成が変更されているので、溶接電流・溶接電圧等の溶接パラメータの変更や、設備の変更が必要であり、わずらわしく、コストがかさむ。
【０００６】
本発明は、前述の実状を考慮してなされたもので、その目的は、溶接パラメータや設備を変更せずに、溶接部の疲労強度を向上させることができる溶接用構造材料および溶接継手を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
〔１〕  本発明は、前述の目的を達成するために、溶接の母材として用いられ、溶接される前にあっては、表層部が表面に沿う方向の圧縮残留応力を有することを特徴とする。
【０００８】
このように構成した本発明の溶接用構造材料では、溶接の際、溶接金属と表層部との境界の近傍に位置する表層部の部分が、加熱されて圧縮残留応力を開放し膨張する。このような表層部の膨張は、溶接金属の凝固収縮により溶接部に生じる引張残留応力を低減する。したがって、溶接パラメータや設備を変更せずに、溶接部の疲労強度を向上させることができる。
【０００９】
〔２〕  本発明は、〔１〕記載の発明において、前記表層部が、引張荷重を付与された状態の金属材料の周囲に鋳込まれてなることを特徴とする。
【００１０】
〔３〕  本発明は、２つの溶接用構造材料を隅肉溶接により接合する溶接継手において、前記２つの溶接用構造材料の少なくとも一方が、〔１〕または〔２〕記載の溶接用構造材料からなることを特徴とする。
【００１１】
このように構成した本発明の溶接継手では、２つの溶接用構造材料の少なくとも一方が〔１〕または〔２〕記載の溶接用構造材料からなるので、溶接部の疲労強度を向上させることができる。
【００１２】
〔４〕  本発明は、〔３〕記載の発明において、作業機械の作業機を構成する作業部材にあって、この作業部材の外形を形成する中空体と、この中空体内に配置される隔壁とを接合するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、溶接の母材として用いられる溶接用構造材料の表層部に圧縮残留応力をもたせ、溶接の際の加熱により溶接用構造材料の表層部が圧縮残留応力を開放して膨張するようにしたので、溶接金属の凝固収縮による引張残留応力を低減することができ、これにより、溶接パラメータや設備を変更せずに、溶接部の疲労強度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の溶接用構造材料および溶接継手の一実施形態について図を用いて説明する。図１は、本発明が適用される構造物の一例として、油圧ショベルの作業機を構成する作業部材を示す透視図、図２は、図１に示す中空体や隔壁を構成する溶接用構造材料を示す断面図、図３は、図２に示す溶接用構造材料の製造時において鋼板に引張荷重を付与している様子を示す概略図、図４は、図３に示す鋼板の両面側のそれぞれに表層部を鋳込む様子を示す概略図、図５は、図２に示す溶接用構造材料を母材とする溶接継手の一例を示す側面図、図６は、図５に示す溶接部の拡大断面図、図７は、図６に示す止端とその近傍の拡大断面図である。
【００１５】
図１に示す１は、油圧ショベルの作業機である。この作業機１は、複数の作業部材、すなわちブーム２、アーム７、およびバケット１０を、ピン結合により連結してなる。ブーム２は、その外形を形成する中空体３と、この中空体３内に配置され中空体３の歪みを防止する複数、例えば３つの隔壁４，５，６とを有していて、中空体３と隔壁４，５，６のそれぞれとは、隅肉溶接により接合されている。同様に、アーム７は、その外形を形成する中空体８と、この中空体８内に配置される隔壁９とを有していて、中空体８と隔壁９は、隅肉溶接により接合されている。
【００１６】
図２に示す２０は、本実施形態の溶接用構造材料である。前述した中空体３，８の外壁のそれぞれを構成する板材、隔壁４，５，６，９のそれぞれを構成する板材は、この溶接用構造材料２０からなる。この溶接用構造材料２０は、その表層部２２Ａ，２２Ｂに、表面に沿う方向（矢印Ｃ方向）の圧縮残留応力を有している。これによって、表層部２２Ａ，２２Ｂは、溶接の際の加熱により圧縮残留応力を開放して膨張するようになっている。
【００１７】
表層部２２Ａ，２２Ｂへの圧縮残留応力の付与は、引張荷重が付与された状態の金属材料、例えば鋼板２１の両面側に、表層部２２Ａ，２２Ｂを鋳込むことによって行う。具体的には、図３に示すように引張手段２４，２５によって鋼板２１に対して表面に沿う方向（矢印Ｐ方向）の引張荷重を鋼板２１に付与し、この状態で、図４に示すように鋼板２１の両面側に設けた型枠２６Ａ，２６Ｂのそれぞれに表層部２２Ａ，２２Ｂとなる溶解金属２３Ａ，２３Ｂを流し込み、溶解金属２３Ａ，２３Ｂが凝固した後に、鋼板２１を引張荷重から開放し、型枠２６Ａ，２６Ｂを取除く。つまり、引張荷重から開放されたことに伴う鋼板２１の復元を表層部２２Ａ，２２Ｂで妨げることによって、表面に沿う矢印Ｃ方向の圧縮残留応力を表層部２２Ａ，２２Ｂに付与してある。
【００１８】
なお、鋼板２１の表面は、図示しないが、溶解金属２３Ａ，２３Ｂが溶け込みやすいように粗くしてある。また、表層部２２Ａ，２２Ｂ鋳込む際、鋼板２１は引張荷重を付与されていても、高温の溶解金属２３Ａ，２３Ｂにより加熱されて応力焼鈍される虞があるため、応力焼鈍が生じるほど鋼板２１が加熱される前に溶解金属２３Ａ，２３Ｂが凝固するよう、溶解金属２３Ａ，２３Ｂを冷却するようにしている。
【００１９】
図５に示す３０は、本実施形態の溶接継手である。この溶接継手３０は、前述した溶接用構造材料２０からなる第１板材３１と、同じく溶接用構造材料２０からなり第１板材３１上に直立させた第２板材３２とを、第１，第２板材３１，３２により形成された２つの隅の一方（図５では左側の隅）を隅肉溶接して接合したものである。第１板材３１は、前述したブーム２の中空体３を構成する板材や、アーム７の中空体８を構成する板材に相当し、第２板材３２は、隔壁４，５，６，９に相当する。
【００２０】
図６に示すように、溶接継手３０の溶接部３３において、溶接金属３４は、図示しない溶接ワイヤ等の溶接材料と、第１板材３１の表層部２２Ａのうちの溶解した部分と、第２板材３２の表層部２２Ａのうちの溶解した部分とからなり、第１板材３１の鋼板２１および第２板材３２の鋼板２１を含んでいない。
【００２１】
溶接金属３４は、凝固収縮により、自身と第１板材３１との境界、および、自身と第２板材３２との境界のそれぞれに、引張残留応力を生じさせる。これらの引張残留応力は、溶接部３３の疲労強度を低下させたり、図６に示すように第１，第２板材３１，３２を引き付ける方向（矢印Ａ方向）に常時作用してブーム２の中空体３の外壁やアーム７の中空体８の外壁における繰り返し荷重による応力振幅を増大させたりするため、ブーム２やアーム７の疲労強度を確保する上で好ましくない。
【００２２】
これに対し、本実施形態の溶接継手３０では、第１板材３１の表層部２２Ａ、および第２板材３２の表層部２２Ａが、溶接の際の加熱により圧縮残留応力を開放して膨張するようになっているので、溶接金属３４と第１板材３１との境界の近傍に位置する表層部２２Ａの部分の膨張と、溶接金属３４と第２板材３２との境界の近傍に位置する表層部２２Ａの部分の膨張とによって、引張残留応力が低減されている。つまり、例えば図７に示す第２板材３２側の止端３５の近傍のように、溶接金属３４と表層部２２Ａとの境界において、溶接金属３４が凝固収縮する方向（矢印Ｓ方向）と略同じ方向（矢印Ｅ方向）へ表層部２２Ａが膨張することによって、引張残留応力が低減されている。
【００２３】
本実施形態によれば次の効果を得られる。
【００２４】
本実施形態の溶接用構造材料２０では、表層部２２Ａ，２２Ｂに圧縮残留応力をもたせることによって、表層部２２Ａ，２２Ｂが溶接の際の加熱により圧縮残留応力を開放して膨張するようにしたので、溶接用構造材料２０の表層部２２Ａ側や表層部２２Ｂ側に溶接部を設ける際に、溶接金属の凝固収縮により溶接部に生じる引張残留応力を低減することができる。したがって、溶接パラメータや設備を変更せずに、溶接部の疲労強度を向上させることができる。
【００２５】
また、本実施形態の溶接継手３０は、溶接用構造材料２０からなる第１，第２板材３１，３２を隅肉溶接により接合したものなので、溶接部３３の疲労強度を向上させることができる。さらに、溶接部３３の引張残留応力が低減されたことによって、第１，第２板材３１，３２における繰り返し荷重による応力振幅を低減できるので、母材である第１，第２板材３１，３２の疲労強度も向上させることができる。つまり、油圧ショベルの作業機１を構成するブーム３やアーム７等の作業部材のように、繰り返し大きな荷重を受けるために高い疲労強度を要求される構造物に好適な溶接継手を実現できる。
【００２６】
なお、本実施形態の溶接用構造材料３０は、表層部２２Ａ，２２Ｂに圧縮残留応力を有する板材であるが、本発明はこれに限るものではなく、表層部に圧縮残留応力を有する角柱状や円柱状等の棒材や筒材でもよい。
【００２７】
また、本実施形態の溶接継手３０は、図５に示すように、溶接用構造材料２０からなる第１板材３１と、同じく溶接用構造材料２０からなり第１板材３１上に直立させた第２板材３２とを、第１，第２板材３１，３２により形成された２つの隅の一方を隅肉溶接して接合したものであるが、本発明はこれに限るものではない。例えば、溶接継手３０と同様の形状であって、接合される２つの板材のうちの一方が溶接用構造材料２０でないものであってもよい。また、重ね継手、側面隅肉継手、片面当て金継手等のように、板材を重ね合わせて接合する溶接継手であって、接合する２つの板材の一方を溶接用構造材料２０とし、この溶接用構造材料２０の表層部２２Ａまたは２２Ｂ上に、鋼板２１を含まない範囲で溶接部を形成したものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明が適用される構造物の一例として、油圧ショベルの作業機を構成する作業部材を示す透視図である。
【図２】図１に示す中空体や隔壁を構成する溶接用構造材料を示す断面図である。
【図３】図２に示す溶接用構造材料の製造時において鋼板に引張荷重を付与している様子を示す概略図である。
【図４】図３に示す鋼板の両面側のそれぞれに表層部を鋳込む様子を示す概略図である。
【図５】図２に示す溶接用構造材料を母材とする溶接継手の一例を示す側面図である。
【図６】図５に示す溶接部の拡大断面図である。
【図７】図６に示す止端とその近傍の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１              作業機
２              ブーム（作業部材）
３              中空体
４，５，６      隔壁
７              アーム（作業部材）
８              中空体
９              隔壁
２０            溶接用構造材料
２１            鋼板（金属材料）
２２Ａ，２２Ｂ  表層部
２３Ａ，２３Ｂ  溶解金属
２４，２５      引張手段
２６，２７      型枠
３０            溶接継手
３１            第１板材
３２            第２板材
３３            溶接部
３４            溶接金属
３５            止端
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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