(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板から形成されるブラケットと構造部材が隅肉溶接された溶接構造部材であって、前記ブラケットは、１又は２のフランジを有し、該ブラケットの開放された側面の少なくとも片側に円弧状の切欠きが形成されており、前記ブラケットと構造部材の重なり部に対して、ブラケットの片側面からのみ前記隅肉溶接が行われており、該隅肉溶接による溶接ビードは、少なくとも前記切欠きが形成された側面においてブラケットの端部から延長して形成されるとともに、溶接ビードの上端部が、前記切欠きの中心の高さ位置以下にある切欠き部分と接触するように形成されていることを特徴とする溶接構造部材。
【請求項２】
ブラケット幅をＷ、前記側面から切欠きの中心の高さ位置にある切欠き部分までの距離をｄとしたとき、ｄ／Ｗが０．０５〜０．１５であることを特徴とする請求項１に記載の溶接構造部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接ビードとブラケットの接点における応力集中を低減する溶接構造部材に関し、特に自動車の足回り部材などの繰り返し荷重が付加される溶接構造部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車分野では、環境保全のため、車体の軽量化による燃費の向上とともに、衝突安全性の向上が求められている。そのため、高強度鋼板を使用して薄肉化するとともに、車体構造を最適化して、車体の軽量化と衝突安全性の向上を図るために、これまで種々の取組みがなされてきた。
【０００３】
車体の軽量化を図る高強度鋼板には、疲労強度も求められる。通常、溶接部材に用いられる母材の疲労強度は、鋼板強度に比例して増加するが、溶接継手の疲労強度は、鋼板強度が増加しても、殆ど増加しないことが知れている。このことが、高強度鋼板の使用による車体の軽量化を阻害している。
【０００４】
特に、サスペンションアームやサブフレームなどの自動車の足回り部材において、溶接部の疲労強度がより重要となる。これらの足回り部材の溶接には、隅肉アーク溶接が多く用いられており、足回り用の溶接構造部材は、部材の構造上、鋼部材と鋼部材の接合部（重なり部）の片側のみ隅肉溶接される溶接個所があり、疲労き裂はそのような場所で発生しやすい。そのため、足回り部材の軽量化を達成するには、接合部の片側のみ隅肉溶接される隅肉溶接継手の疲労強度を高めることが課題となる。
【０００５】
従来、隅肉溶接継手の疲労強度を向上させる手段として、グラインダー処理や化粧盛り溶接などによるビード止端部の仕上げ加工や、適切な形状、位置にリブなどの補強部材を溶接することなどが行われている。止端部の仕上げ加工は手間がかかり、別の部材を溶接するとコストの増加につながるという問題があり、自動車部品のような大量生産品の製造に適用できる技術ではない。
【０００６】
被溶接部材の構造の面から止端部への応力集中を低減させる技術が、特許文献１に開示されている。特許文献１には、ブラケットの側面に円弧状の切欠きを設け、構造部材とブラケットとの溶接部の始終端の止端での応力を低減することが開示されている。
【０００７】
しかし、特許文献１に記載された技術では、自動車の足回り部材などの繰り返し荷重が付加される溶接構造部材の隅肉溶接において、止端部での応力低減が十分でなく、さらに応力を低減させる必要があった。
【０００８】
一方、溶接方法の面から止端部への応力集中を低減させる技術が、特許文献２に開示されている。特許文献２には、鋼板の一面に他方の鋼板の端面を突き合わせ、突合せ部分の両側に隅肉ビードを形成し、さらに、この溶接ビードを延長する溶接ビード構造が開示されている。特許文献２に開示の溶接ビード構造は、止端部を、他の鋼板の端部から遠ざけることによって止端部への応力集中を緩和するものである。しかし、ルート部への応力集中を低減する効果はなく、疲労破壊の発生を効果的に抑制することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１６９８６４号公報
【特許文献２】特開平０９−２５３８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明では、このような実情に鑑み、接合部の片側のみを隅肉溶接され、自動車の足回り部材などの繰り返し荷重が付加される溶接構造部材において、簡単な構造で、止端部及びルート部での疲労による割れの発生の防止を可能にする溶接構造部材を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、上記課題を解決する手段について鋭意研究した。その結果、側面に円弧状の切欠きを設けたブラケットと構造部材との接合部の片側のみを隅肉溶接される溶接構造部材において、延長ビードを形成し、その際に、切欠きと溶接ビード上端部との位置を限定することで、溶接ビードの止端部での応力集中がさらに緩和されるとともに、ルート部での応力集中も緩和されるとの知見を得た。
【００１２】
本発明は、このような知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下の通りである。
（１）鋼板から形成されるブラケットと構造部材が隅肉溶接された溶接構造部材であって、前記ブラケットは、１又は２のフランジを有し、該ブラケットの開放された側面の少なくとも片側に円弧状の切欠きが形成されており、前記ブラケットと構造部材の重なり部に対して、ブラケットの片側面からのみ前記隅肉溶接が行われており、該隅肉溶接による溶接ビードは、少なくとも前記切欠きが形成された側面においてブラケットの端部から延長して形成されるとともに、溶接ビードの上端部が、前記切欠きの中心の高さ位置以下にある切欠き部分と接触するように形成されていることを特徴とする溶接構造部材。
（２）ブラケット幅をＷ、前記側面から切欠きの中心の高さ位置にある切欠き部分までの距離をｄとしたとき、ｄ／Ｗが０．０５〜０．１５であることを特徴とする前記（１）に記載の溶接構造部材。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ブラケットを構造部材に隅肉溶接して固定された溶接構造部材において、その部材が繰り返し振動応力にさらされる場合でも、ブラケットの切欠きと溶接ビードとが接触する構造とすることにより、疲労破壊の発生を顕著に抑制する、疲労特性に優れた溶接構造部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】円弧状の切欠きを有するブラケットを示す図である。（ａ）は鋼板から形成されたブラケットであり、（ｂ）はフランジを示す。
【図２】切欠きと溶接ビードが接触していない溶接構造部材を示す図である。（ａ）は溶接構造部材を示し、（ｂ）はフランジを示す。
【図３】切欠きと溶接ビードが接触している溶接構造部材を示す図である。（ａ）は溶接構造部材を示し、（ｂ）はフランジを示す。
【図４】円弧状の切欠きを有するブラケットから構成される溶接構造部材を示す図である。（ａ）はコの字型の開口を下側にしたブラケットから構成される溶接構造部材を示し、（ｂ）は板状のブラケットから構成される溶接構造部材を示す。
【図５】ブラケット幅Ｗと切欠き深さｄの比率（ｄ／Ｗ）に対する応力集中係数Ｋｔの関係を示す図である。
【図６】試験用ブラケットの外観を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
まず、本発明の切欠きを有するブラケットの一例について、図面を用いて説明する。
【００１６】
図１には、円弧状の切欠きを有するブラケットを示す。（ａ）は鋼板から形成されたブラケットであり、（ｂ）はフランジを示す。ブラケット１は、構成要素であるフランジ２や種々連結部材など（図示省略）を含むものである（特許文献１、参照）。ブラケット１は、板厚５ｍｍ以下の鋼板で形成され、鋼板の鋼種や成分組成は、特に限定されない。また、ブラケット１は、コの字型であり、開放された側面３に切欠き４を有している。
【００１７】
切欠き４に近い側のフランジ２の溶接される端部から、他端部側に向かう方向を高さ方向としたとき、ブラケット１は、ブラケット高さＨを有し、それと直行する方向を幅方向としたとき、ブラケット１は、ブラケット幅Ｗを有する。そして、切欠き４は、点線で示した円の中心を切欠きの中心５とする円弧形状であり、切欠き半径ｒを有する。また、切欠きの中心５の高さ位置にある切欠き部分と側面３との距離ｄは、切欠きの半径ｒより小さく示してある。なお、以下、距離ｄを「切欠き深さ」ということもある。そして、ブラケット１の端部から下端の切欠きの位置までの高さＨ１は、疲労強度が低下しないように、溶接ビード高さの１／２以上、例えば、３ｍｍ以上となるように形成されている。
【００１８】
このようなブラケットと構造部材を溶接した溶接構造部材を、自動車の足回り部材などの繰り返し荷重が付加される溶接構造部材とするためには、止端部及びルート部での応力をさらに低減させて、疲労特性を向上させる必要がある。
【００１９】
まず、本発明者らは、溶接ビードの止端部での応力集中をさらに緩和するために、溶接ビードを延長することを検討した。
【００２０】
図２に、切欠きと溶接ビードが接触していない溶接構造部材を示す図である。（ａ）は溶接構造部材を示し、（ｂ）はフランジを示す。この溶接構造部材は、円弧状の切欠きを有するブラケット１のフランジ２の片面からのみ構造部材６と隅肉溶接し、溶接ビードが側面３から延長するようにしたものである。なお、（ａ）の点線は、隠れている部分の溶接ビードを示している。
【００２１】
この溶接構造部材のブラケット１に関して、有限要素法（ＦＥＭ）による応力分布解析を行った。その結果、ブラケット１と溶接ビード７が接触する切欠き４の周辺部分（以下、「接触部分」とする）に応力が集中していた。
【００２２】
このように、接触部分８に応力が集中するのは、切欠き４へ応力が効率よく分散していないためと考えた。そこで、本発明者らは、切欠き４へ応力を効率よく分散させるには、切欠き４と溶接ビードを適切な位置関係となるようにする必要があると予想し、切欠き４と溶接ビードの位置関係を検討した。
【００２３】
図３は、切欠きと溶接ビードが接触している溶接構造部材を示す図である。（ａ）は溶接構造部材を示し、（ｂ）はフランジを示す。この溶接構造部材は、円弧状の切欠きを有するブラケット１のフランジ２の片面からのみ構造部材６と隅肉溶接する際に、切欠き４の下端と溶接ビード７の上端を接触するようにし、さらに、溶接ビードが側面３から延長するようにしたものである。なお、（ａ）の点線は、隠れている部分の溶接ビードを示している。
【００２４】
この溶接構造部材において、上記同様に、ブラケット１に関して、有限要素法（ＦＥＭ）による応力分布解析を行った。その結果、接触部分８の応力が低減されていた。これは、切欠き４と溶接ビード７を接触させると、接触部分８に応力が集中しなくなり、切欠きにより応力が分散するものと考える。
【００２５】
また、切欠きの中心５の高さを超える位置にある切欠き部分と溶接ビード７が接触するようにした溶接構造部材において、同様に、検討したが、接触部分８に応力が集中した。これは、溶接ビード７が切欠きを覆うように形成されるため、切欠き４による応力の分散効果が低減するものと考える。
【００２６】
以上、検討結果をまとめると、以下の通りである。
溶接ビード７の上端部が、切欠きの中心５の高さ以下の位置にある切欠き部分と接触するように溶接構造部材を構成することで、接触部分８の応力集中が低減し、疲労特性に優れた溶接構造部材とすることができる。なお、切欠きの中心５から切欠き下端までの範囲を「応力低減範囲ａ」という。
【００２７】
本発明は、以上のような検討過程を経て上記（１）に記載の発明に至ったものであり、そのような本発明について、さらに、必要な要件や好ましい要件について順次説明する。
【００２８】
（ブラケットの形状）
本発明のブラケットは、図１に示すものに限らず、１又は２のフランジと、開放された側面の少なくとも片側に円弧状の切欠きを有するものである。次に、ブラケットの他の例を示す。
【００２９】
図４には、円弧状の切欠きを有するブラケットから構成される溶接構造部材を示す図である。（ａ）はコの字型の開口を下側にしたブラケットから構成される溶接構造部材であり、（ｂ）は板状のブラケットから構成される溶接構造部材である。図１及び図４（ａ）のブラケット１は、いずれも、コの字型のブラケット１であり、コの字の開口の方向を変えたものである。
【００３０】
図１に示すブラケット１は、ブラケット１の開放された２箇所の側面３の両側に切欠きを有しているが、図４（ａ）に示すブラケット１は、ブラケット１の開放された４箇所の側面３のうち２箇所に、切欠き４を設けている。ブラケット１において、溶接されるフランジ２の面に対して少なくとも１箇所、切欠きを設ける必要があり、開放された側面３の全てに切欠きを設けてもよい。
【００３１】
図４（ｂ）は、板状のブラケットを示しており、ブラケット１の開放された側面３の両側に、切欠き４を設けている。また、ブラケット１の開放された側面３の片側に切欠きを設けてもよい。
【００３２】
図１及び図４に示したブラケットの形状は、一例であり、その他の形状としても、本発明の効果を得ることができる。
【００３３】
（切欠きの形状）
図１には、円形状の曲線の円弧から形成されている切欠き４を示したが、楕円状などの曲線で形成された環状の円弧や放物線状の曲線の一部であってもよい。切欠き４が、円形状及び楕円形状の曲線の円弧の場合は、切欠きの中心５は、円形状及び楕円形状の曲線の中心であり、蛇行（波打）する曲線で形成された環状の円弧の場合は、切欠きの中心５は、円相当中心とする。切欠き４が放物線状の曲線の一部の場合は、放物線に中心はないので、側面３からブラケット幅Ｗ方向に最も凹んだ曲線の位置を、切欠き中心の高さ位置とする。
【００３４】
切欠き深さｄは、切欠き半径ｒと同じ又は小さくするのが好ましい。切欠き深さｄを、切欠き半径ｒより大きくすると、ブラケット１の強度が低下する。切欠き４が、円形状の曲線の円弧の場合は、切欠きの半径ｒは、円形状の半径である。
【００３５】
切欠き４が、楕円形状の曲線の円弧の場合は、切欠きの半径ｒは、次のようにする。
・楕円形状の曲線の長軸の方向がブラケット幅Ｗ方向と一致する場合は、長半径
・楕円形状の曲線の短軸の方向がブラケット幅Ｗ方向と一致する場合は、短半径
・それ以外の場合は、側面３からブラケット幅Ｗ方向に最も凹んだ円弧の位置から、その位置を通るブラケット幅方向の線と、切欠き中心を通る高さ方向の線とが交差する位置までの距離
【００３６】
蛇行（波打つ）する曲線で形成された環状の円弧の場合は、切欠きの半径ｒは、円相当半径とする。放物線状の曲線の円弧の場合は、側面３からブラケット幅Ｗ方向に最も凹んだ位置から、その位置を通るブラケット幅方向の線と、側面３に沿った高さ方向の線とが交差する位置までの距離を半径とする。
【００３７】
（溶接ビード）
溶接ビードは、ブラケット１のフランジ２の片面からのみ構造部材６と隅肉溶接し、側面３から延長するように形成されるものにおいて、溶接ビード７の上端部が、応力低減範囲ａにある切欠き４と接触するように形成されるものである。
【００３８】
溶接ビード７の上端部が、応力低減範囲ａの範囲外、すなわち、応力低減範囲ａより上部の切欠き４と接触する場合や、応力低減範囲ａより下部の切欠き４がない部分と接触する場合は、応力の分散が低減する。図３では、切欠き４の下端の部分と溶接ビード７の上端部が接触しているが、応力低減範囲ａの範囲内であれば、溶接ビード７が、切欠き４を覆うように切欠き４の部分に接触するようにしてもよい。
【００３９】
また、溶接ビード７は、溶接の止端部における応力集中を低減させて、疲労強度を向上させるために、開始終了点のそれぞれにおいて、フランジ４の当接部を超えて延長ビードを形成する。延長ビードの長さは、止端部の応力が低減できる範囲であれば、特に限定されないが、１０〜４０ｍｍが好ましい。また、図２及び図３では、コの字状のブラケット１にあわせて、溶接ビード７をコの字状に形成しているが、切欠き４を有する２枚のフランジ２の下方の端部のみを構造部材６と溶接し、溶接ビード７を各１本ずつ直線状に２本形成してもよい。
【００４０】
（切欠き深さとブラケット幅の関係）
ブラケット幅Ｗと切欠き深さｄの比率（ｄ／Ｗ）を０．０５〜０．１５とすることが好ましい。この範囲とすることで、ブラケット１の切欠き４と溶接ビード７の接触部分８の周辺における応力集中がより低減する。
【００４１】
図５には、ブラケット幅Ｗと切欠き深さｄの比率（ｄ／Ｗ）に対する応力集中係数Ｋｔの関係を示す。右図は、ブラケットにかける応力の方向を示す。このように、切欠きがない場合と比較して、切欠きを設けて、溶接ビードとの接触を調整した場合は、応力集中係数Ｋｔが低くなる。そして、比率（ｄ／Ｗ）を０．０５〜０．１５の範囲とすると、応力集中係数Ｋｔが３以下となり、好ましい。
【００４２】
（その他の要件）
溶接構造部材は、アーク溶接によって組み付けられたものが好ましい。溶接ビード施工時のアーク溶接条件や使用する溶接ワイヤの組成は、常法に従えばよく、特定のものに限定されない。また、シールドガスとしては、１００％ＣＯ２ガスの他、Ａｒガスと３〜２０％ＣＯ２ガスとの混合ガスなどを用いることができる。
【実施例】
【００４３】
次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
【００４４】
図６に、試験用ブラケットの外観を示す。試験用ブラケットは、表１に示す成分組成の鋼板を板厚２．６ｍｍ、高さ５０ｍｍのコの字型として、表２に示す、切欠き半径ｒ、切欠き深さｄ、ブラケット幅Ｗとなるように加工した。
【００４５】
【表１】
0006432267.tif 000002
【００４６】
【表２】
0006432267.tif 000003
【００４７】
これら試験用ブラケットを板状の構造部材上に図３のように配置して、両者の接合部をブラケットの外側よりアーク溶接により、隅肉溶接して溶接構造部材を作製した。アーク溶接は、以下に示す溶接条件で、表３に示す溶接ワイヤを用いて実施した。ただし、各試験用ブラケットにおいて、表２に示す、中心切欠き位置と溶接ビード上端部の距離Ｌｂになるように溶接した。なお、中心切欠き位置とは、切欠き中心の高さにある切欠きの位置であり、下端切欠き位置とは、最も下端の切欠きの位置を示す。
【００４８】
溶接方式          消耗式電極溶接
シールドガス      Ａｒ＋２０％ＣＯ２
シールドガス流量  ２０Ｌ／ｍｉｎ
溶接速度          ８０ｃｍ／ｍｉｎ
溶接電流及び電圧  アンダーカットがでない値を設定、２３０Ａ、２５Ｖ
【００４９】
【表３】
0006432267.tif 000004
【００５０】
比較例１は、切欠きを有さない試験用ブラケットである。比較例２は、中心切欠き位置と溶接ビード上端部の距離Ｌｂが、中心切欠き位置と下端切欠き位置の距離Ｌｃ（応力低減範囲ａ）より大きくなるように、すなわち、溶接ビードが切欠きと接触しないように溶接した。発明例１〜７は、中心切欠き位置と溶接ビード上端部の距離Ｌｂが中心切欠き位置と下端切欠き位置の距離Ｌｃより小さくなるように溶接した。また、溶接ビードの始終端は、ブラケットのフランジ幅から各２０ｍｍ延長するように、延長ビードＬａを形成した。
【００５１】
作製した試験用溶接構造部材を、荷重方向Ｐが図６に矢印で示された方向になるように電気油圧式疲労試験装置で把持して、荷重範囲一定（応力範囲一定）、荷重比−１、繰返し周波数５Ｈｚにて、疲労試験をした。表４に、疲労試験の結果を示す。
【００５２】
【表４】
0006432267.tif 000005
【００５３】
比較例１は、ブラケットに切欠きを形成していないため、溶接ビードとブラケットとの接点において、応力集中が発生し、疲労寿命が低い。そして、比較例２は、ブラケットに切欠きを形成したものであるが、溶接ビードが、切欠きと接触していないため、溶接ビードとブラケットとの接触部分において、応力集中が発生した。比較例２は比較例１より疲労寿命が増加しているが、依然として十分な疲労強度が得られていない。これより、ブラケットに切欠きを形成するだけは、十分な疲労強度が得られないため、切欠きと溶接ビードとの位置関係を適切にする必要がある。
【００５４】
発明例１及び２は、溶接ビードの上端部が、中心切欠き位置と下端切欠き位置の間に形成されており、溶接ビードが切欠きと接触する部分を多くしている。発明例３〜７は、溶接ビードの上端部が、下端切欠きと接触するように形成されている。また、発明例１〜５は、円形状の円弧の切欠きで、発明例６は楕円形状の円弧の切欠きで、発明例７は放物線形状の曲線の一部の切欠きである。これらの疲労寿命の回数は、いずれも７０００００を超え、応力低減範囲ａの範囲内で、溶接ビードの上端部と切欠きが接触するように形成しているので、応力集中が低減されることがわかる。
【００５５】
発明例１〜３、５〜７は、ブラケット幅Ｗと切欠き深さｄの比率ｄ／Ｗが、０．０５〜０．１５であるのに対して、発明例４は比率ｄ／Ｗが０．２０である。発明例４の寿命疲労の回数が他の発明例より少ない。このように、ブラケット幅Ｗに対する切欠き深さｄの割合を最適化することで、溶接ビードとブラケットの接触部における応力をより低減することができ、疲労寿命を増加させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
前述したように、本発明によれば、ブラケットを構造部材に溶接して固定された溶接構造部材において、その部材が繰り返し振動応力にさらされる場合でも、溶接ビードとブラケットの切欠きとが接触する構造とすることにより、疲労破壊の発生を顕著に抑制できる、疲労特性に優れた溶接構造部材を提供することができる。本発明は、産業上の利用可能性が高いものである。
【符号の説明】
【００５７】
１    ブラケット
２    フランジ
３    側面
４    切欠き
５    切欠きの中心
６    構造部材
７    溶接ビード
８    接触部分
ａ    応力低減範囲
ｄ    側面と切欠きの距離（切欠き深さ）
ｒ    切欠きの半径
Ｈ    ブラケット高さ
Ｈ１    ブラケットの端部から下端の切欠きの位置までの高さ
Ｗ    ブラケット幅
Ｐ    荷重方向
【図１】
0006432267.tif 000006
【図２】
0006432267.tif 000007
【図３】
0006432267.tif 000008
【図４】
0006432267.tif 000009
【図５】
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【図６】
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