(57)【要約】    【課題】ブームの面外変形による応力集中を避けて、ブームの強度向上、延命化、軽量化、エンジン等のパワーユニットの小規模化が達成できる湾曲部構造を有する油圧ショベルのブームとその製造方法を提供する。    【解決手段】ブームの湾曲部における側板１７と上板との溶接部または下板１６との溶接部の少なくとも一方を次のように形成する。側板１７の先端の外側を斜めに削ることにより形成された開先面１７ａからなる開先に溶接ワイヤ２４を向けて開先との間にアーク２５を発生させて溶接する。このアーク２５の作用により、開先より開先裏側である箱型構造部の内部側に溶融物２７を押出して裏側溶接ビード１９ｂを形成する。この溶融物２７の押出しの際に、粘性調整ガスにより溶融物２７の粘性を調整するか、またはアーク力調整ガスによりアーク力を調整して好適な裏側溶接ビード１９ｂを形成する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上板と、下板と、上板の下面および下板の上面に側板の上下端部が突き合わされて溶接された箱型断面構造を有し、かつ中間部に湾曲部を有し、この湾曲部近傍にブームシリンダやアームシリンダの取付け部を有する油圧ショベルのブームにおいて、
前記湾曲部における前記側板と前記上板との溶接部または前記下板との溶接部の少なくとも一方が、側板の先端の外側を斜めに削ることにより側板と上板または下板との間で形成された開先に溶接ワイヤを向けて開先との間にアークを発生させて溶接すると共に、このアークの作用により、開先より開先裏側である箱型構造部の内部側に溶融物を押出して裏側溶接ビードを形成したものからなることを特徴とする油圧ショベルのブーム。
【請求項２】
上板と、下板と、上板の下面および下板の上面に側板の上下端部が突き合わされて溶接された箱型断面構造を有し、かつ中間部に湾曲部を有し、この湾曲部近傍にブームシリンダやアームシリンダの取付け部を有する油圧ショベルのブームの製造方法において、
前記湾曲部における前記側板と前記上板との溶接部または前記下板との溶接部の少なくとも一方を溶接するに当り、側板の先端の外側を斜めに削ることによりこの側板と上板または下板との間で開先を形成し、この開先に溶接ワイヤを向けて溶接ワイヤと開先との間に発生するアークにより溶接すると共に、このアークの作用により、開先より開先裏側である箱型構造部の内部側に溶融物を押出して裏側溶接ビードを形成することを特徴とする油圧ショベルのブームの製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の油圧ショベルのブームの製造方法において、
前記溶融物を箱型構造部の裏側に押出すに当り、前記溶接ワイヤを繰出す溶接トーチから供給されるシールドガスに粘性調整ガスを混合し、この粘性調整ガスにより溶融物の粘性を調整して溶融物の裏側への押出しを調整することを特徴とする油圧ショベルのブームの製造方法。
【請求項４】
請求項２または３に記載の油圧ショベルのブームの製造方法において、
前記溶融物を箱型構造部の裏側に押出すに当り、前記溶接ワイヤを繰出す溶接トーチからアーク力調整ガスを供給し、このアーク力調整ガスによりアーク力を調整して溶融物の裏側への押出しを調整することを特徴とする油圧ショベルのブームの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ショベルのブームとその製造方法に係り、より詳しくは湾曲部の溶接構造とその溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
油圧ショベル等の建設機械に用いられるブームやアームからなる作業腕部分は、一般的に種々の鋼材を相互に箱状に溶接した構造に形成される。また、これらの作業腕は、これを回動するために主として油圧シリンダを用いる。ブームを俯仰させるブームシリンダの先端部とブームとは、ブームの中間の湾曲部に設けたボスにピン結合され、アームを回動させるアームシリンダの基端部は、前記湾曲部の上面に設けたブラケットにピン付けされる。
【０００３】
前記アーム、ブームは、使用環境により、様々な荷重下にさらされる。掘削作業において、アームに上向きに作用する荷重は、ブームシリンダにより旋回体に支持された断面形状が箱型のブームに、アームおよびアングリングシリンダを介して伝わる。ブームは荷重により、箱型の断面が歪むように変形状態となり、箱の隅を接合している溶接部は、溶接部は開かれる方向の荷重伝達となり、未溶接部等が存在すると、その部位の強度は著しく低下し、亀裂を発生させてしまう。
【０００４】
しかしながら、従来の一般的な溶接方法では、箱型断面を形成する４枚の板材のうち、３枚までは外側も内側も溶接が可能であるが、４枚目の溶接は、箱で閉じた構造となるため、内部側の溶接ができない。そのため、従来は溶接できない部分の板厚を厚くして所定の強度を確保する等の対策をとっていた。
【０００５】
別の溶接手段として、４隅の溶接をすべて行なうため、側板に穴を空け、その穴から手を差し込むかあるいは体を入れて隅部の内側を溶接し、溶接後に穴を塞ぐという方法が採用されることもあった。
【０００６】
また、特許文献１には、図８に示すように、溶接すべき側板３０と上板３１に特殊な開先３２の形状を設け、溶接における溶接ワイヤの溶け込み量を増やすことで溶接部３３の強度が維持する方法が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１９９２４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のように、ブームの湾曲部の板厚を厚くすると、ブームの重量が増し、ブームの動作速度が低下する上、エンジンの出力を大きくする必要があるという問題点がある。
【０００９】
また、図８に示すように特殊な形状の開先３２を形成して溶接を行なう方法によれば、わずかに未溶着部が残り、また内面に溶接ビードが形成されないため、面外変形時に裏側のコーナー部３４に応力が集中するので、その部分から亀裂が発生しやすく、このことがブームの短命化を招くという問題点がある。また、特殊な開先は加工が難しく、コストを上昇させる原因となるという問題点がある。
【００１０】
また、側板に穴を空けて内側の溶接を行なう方法では、溶接が困難である上、穴空け作業を穴を塞ぐ作業とが必要になり、工数がかかるという問題点がある。
【００１１】
本発明は、上記問題点に鑑み、簡単な開先形状によりしかも汎用性の高い溶接設備で面外変形の受けやすい箱型構造の湾曲部の四隅の完全溶接を可能とし、前記した面外変形による応力集中を避けて、ブームの強度向上、延命化、軽量化、エンジン等のパワーユニットの小規模化が達成できる湾曲部構造を有する油圧ショベルのブームとそ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】
【００１２】
（１）本発明の油圧ショベルのブームは、上板と、下板と、上板の下面および下板の上面に側板の上下端部が突き合わされて溶接された箱型断面構造を有し、かつ中間部に湾曲部を有し、この湾曲部近傍にブームシリンダやアームシリンダの取付け部を有する油圧ショベルのブームにおいて、
前記湾曲部における前記側板と前記上板との溶接部または前記下板との溶接部の少なくとも一方が、側板の先端の外側を斜めに削ることにより側板と上板または下板との間で形成された開先に溶接ワイヤを向けて開先との間にアークを発生させて溶接すると共に、このアークの作用により、開先より開先裏側である箱型構造部の内部側に溶融物を押出して裏側溶接ビードを形成したものからなることを特徴とする。
【００１３】
（２）本発明の油圧ショベルのブームの製造方法は、上板と、下板と、上板の下面および下板の上面に側板の上下端部が突き合わされて溶接された箱型断面構造を有し、かつ中間部に湾曲部を有し、この湾曲部近傍にブームシリンダやアームシリンダの取付け部を有する油圧ショベルのブームの製造方法において、
前記湾曲部における前記側板と前記上板との溶接部または前記下板との溶接部の少なくとも一方を溶接するに当り、側板の先端の外側を斜めに削ることによりこの側板と上板または下板との間で開先を形成し、この開先に溶接ワイヤを向けて溶接ワイヤと開先との間に発生するアークにより溶接すると共に、このアークの作用により、開先より開先裏側である箱型構造部の内部側に溶融物を押出して裏側溶接ビードを形成することを特徴とする。
【００１４】
（３）また、本発明の油圧ショベルのブームの製造方法は、前記（２）において、
前記溶融物を箱型構造部の裏側に押出すに当り、前記溶接ワイヤを繰出す溶接トーチから供給されるシールドガスに粘性調整ガスを混合し、この粘性調整ガスにより溶融物の粘性を調整して溶融物の裏側への押出しを調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明においては、ブームの湾曲部の側板の先端の外側を斜めに削ることにより形成された開先に溶接ワイヤを向けて開先との間にアークを発生させて溶接すると共に、このアークの作用により、開先より開先裏側である箱型構造部の内部側に溶融物を押出して裏側溶接ビードを形成したので、湾曲部の四隅が完全溶接されると共に、内側コーナー部における応力集中が緩和され、アームシリンダやブームシリンダからの荷重による箱型断面の面外変形によっても亀裂の発生が回避できる信頼性の高い高強度なブームが提供できる。また、このため、ブームの板厚を薄くすることができ、その結果、ブームを軽量化できるため、ブームの動作の迅速化あるいはエンジンを含めたパワーユニットの小規模化、カウンタウェイトを含めた車体全体の軽量化が達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は本発明によるブーム構造を採用する油圧ショベルの一例を示す側面図である。この油圧ショベルは、走行体１上に旋回装置２を介して旋回体３を設置し、旋回体３上に油圧パワーユニット４、運転室５を搭載すると共に、旋回体３にブームシリンダ６により俯仰可能に取付けたブーム７と、ブーム７にアームシリンダ８により回動可能に取付けたアーム９と、アーム９にバケットシリンダ１０により回動可能に取付けたバックホウ形バケット１１とからなるフロントアタッチメント１２を備える。
【００１７】
図２は前記ブーム７の一実施の形態を示す側面図である。図２において、１３は前記アームシリンダ８の基端部をピンにより結合するブラケットである。１４は前記ブームシリンダ６の先端をピンにより結合するボスである。７ａはこれらのブラケット１３やボス１４を有する湾曲部である。
【００１８】
図３は図２のＥ-Ｅ拡大断面図である。１５はブーム７の箱型構造を構成する上板、１６は同じく下板、１７、１８は同じく側板である。また、１９〜２２はこれらの板材の溶接部である。このブーム７において、図２の矢印Ｆで示すように、掘削反力がアーム９の先端に作用した場合、ブーム７の湾曲部７ａでは例えば図３の２点鎖線で示すように面外変形を起こし、前記溶接部１９〜２２には応力が作用する。
【００１９】
図４は前記溶接部１９〜２２の構造を示す図であり、上板１５と側板１７、１８とは上下を反転した状態で最初に溶接されるため、矢印ａで示す外側と矢印ｂで示す内側からの溶接が可能であり、外側の溶接ビード１９ａ、２０ａと内側の溶接ビード１９ｂ、２０ｂが共に形成できる。下板１６と側板１７、１８とは後で溶接されるため、矢印ａで示すように外側からのみの溶接が可能であるが、本発明による外側からの後述の方法により外側の溶接ビード２１ａ、２２ａのみならず、内側にも溶接ビード２１ｂ、２２ｂを形成したものである。
【００２０】
図５（Ａ）〜（Ｃ）は本発明により前記側板１７と下板１６との溶接を行なう状態を示しており、図５（Ａ）に示すように、側板１７の先端の外側にはテーパー状の開先面１７ａを形成し、この開先面１７ａと下板１６との間で開先を形成する。溶接に当り、側板の先端面であるルートフェイス１７ｂを下板１６に鉛直に当接させ、開先面１７ａ側より溶接トーチ２３を臨ませ、溶接ワイヤ２４を不図示の送給手段により送給し、開先との間でアーク２５を発生させると同時に、溶接トーチ２３から一定流量のシールドガス２６を吐出させながら、下板１６と側板１７との当接部を溶融させる。
【００２１】
前記溶接を行なう場合、ルートフェイス１７ｂの幅ｄは１．０〜３．０ｍｍ、開先角度θは３０〜６０度とし、溶接装置による溶接条件は、平均電流２５０〜３１０Ａ，平均電圧２５〜３３Ｖ、移動速度２０〜４５ｃｍ／分とすることが好ましい。また、上記の条件下において、溶接ワイヤ２４の狙い位置Ｐ２を接触位置Ｐ１から０〜３ｍｍ、下板１６と溶接ワイヤ２４との傾斜角度αを１５〜３５度とすることが好ましい。
【００２２】
図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のように開先に対して溶接ワイヤ２４等の位置関係を設定した後、アーク２５により溶接を始めた状態を示す。前述のように、溶接ワイヤ２４は下板１６側に向いているため、熱容量の小さい開先面１７ａの端部より下板１６側に多く入熱するので、両部材１６、１７をバランス良く溶融すると同時に、溶接ワイヤ２４自身の溶融も加わって溶融物（溶融プール）２７が形成される。その結果、熱容量の小さな開先面１７ａを有する側板１７は、溶融域が側板１７の開先側の裏側に達する。
【００２３】
本発明のブームの製造方法の第1の実施の形態においては、溶融物２７を溶融させる際に、炭酸ガスあるいは炭酸ガスとアルゴンガスとの混合ガス等からなるシールドガス２６に酸素等からなる粘性調整ガスを混合し、溶融物２７の粘性を小さくし、アーク２５の作用により開先の反対側である裏側への溶融物２７の押出しを行なう。これにより図５（Ｃ）に示すように、傾斜面あるいは緩やか弧状面を有し、ビードの脚長Ｌｗと高さＬｈとが略等しい（Ｌｗ≒Ｌｈ）裏側溶接ビード１９ｂを形成する。
【００２４】
粘性調整ガスを用いないで粘性の高い溶融物２７を形成した場合は、図５（Ｃ）の２点鎖線に示すように、内側に膨出した形状の裏側ビードが形成される。特にこの現象は、側板１７や下板１６の表面に酸化被膜（黒皮）が付着している場合、アーク力が溶融物２７の表面張力より大きくなるため、図５（Ｃ）の２点鎖線に示すように、オーバーラップ気味となり、裏側溶接ビードが形成しやすくなる。このようなオーバーラップ気味の裏側溶接ビードは、裏側の脚長Ｌｗが小さくなり、強度に影響を及ぼすため、ラップ部分が切欠き状の欠陥となり、繰り返し荷重がかかる溶接部においては好ましくない。
【００２５】
そのため、溶接トーチ２３から一定流量で吐出されるシールドガス２６と共に溶融物２７の粘性を下げる酸素ガスのような粘性調整ガスを混合して調整することにより、溶融物２７の粘性を下げ、溶融物２７の表面張力による作用とアーク力により溶融物２７を押出す力のバランスを良好にして、図５（Ｃ）、図６に示すように良好な裏側溶接ビード１９ｂを形成することができる。図５（Ｃ）、図６は溶接の１層面が形成された状態は示し、さらに溶接を重ねることにより、図７に示すように、外側に溶接ビード２１ａが形成された溶接部２１（溶接部２２についても同様）が得られる。なお、粘性調整ガスとしては、粘度を調整する作用のあるガスであれば酸素ガス以外のガスを用いることができる。また、粘性調整ガスは、シールドガスに混合して供給するのではなく、シールドガスと別系統で供給するようにしてもよい。
【００２６】
このような裏側溶接ビード２１ｂの形成により、作業中に図３に２点鎖線で示すような面外変形が生じた場合であっても、図８に示すような内側コーナー部における応力集中が緩和され、高い強度の溶接部２１、２２が得られる。すなわち、図８に示すように裏側ように裏側溶接ビードの無い構造では、（社）日本鋼管構造協会の「鋼構造物の疲労設計指針・同解説」によると、その強度等級は「Ｈ」となり、疲労限の直応力範囲は４０ＭＰａとなる。これを本発明の溶接方法により図７に示すように完全溶接ができた場合、強度等級「Ｅ」（止端処理無し）となり、疲労限の直応力範囲は８０ＭＰａとなり、大幅に強度が向上し、繰り返し荷重に対する溶接部の強度の向上が可能となる。
【００２７】
また、従来は裏あて材や接合に寄与しないビードを伴わなければ不可能であった裏側溶接ビード生成を裏あて材等一切用いることなく、また、側板１７、１８に溶接のための穴空けを行なう必要なく、片側からのみの溶接で溶接が行なわれるため、ロボット等の段取り作業も軽減でき、溶接工数も低減でき、製作コストを大幅に低減できる。
【００２８】
また、このため、ブーム７の板厚を薄くすることができ、その結果、ブーム７を軽量化できるため、ブーム７の動作の迅速化あるいはエンジンを含めたパワーユニットの小規模化、カウンタウェイトを含めた車体全体の軽量化が達成できる。
【００２９】
次に本発明によるブームの製造方法の第２の実施の形態を説明する。第２の実施の形態においては、溶接の際に、溶融物２７に作用するアーク力を調整するアーク力調整ガスを与え、溶融物２７をアーク力によって開先側から開先裏側へ押出して裏側溶接ビード２１ｂを形成する。この場合、アーク力調整ガスは、溶接トーチ２３から供給されるシールドガス２６に混合して供給する。それによって溶融物２７を押出す力を小さくし、側板１７側の開先裏側に形成されるすみ肉ビードの形状を改善することができる。
【００３０】
前述したように、側板１７や下板１６に酸化被膜が付着している場合には、粘性調整ガスやアーク力調整ガスを用いないで溶接を行なった場合、溶融物２７を押出す際に、酸化被膜の影響によりアーク力が溶融物２７の表面張力より大きくなるために、図５（Ｃ）の２点鎖線に示すようにオーバーラップ気味の裏側溶接ビードが形成されやすくなる。
【００３１】
これに対し、溶接トーチ２３から供給される例えば炭酸ガスからなるシールドガス２６と共に例えばアルゴンガスからなるアーク力調整ガスを混合してアーク力を下げ、開先裏側に押出される溶融物２７の体積を減少させ、図５（Ｃ）に実線で示すように、オーバーラップが無く、望ましい脚長Ｌｗおよび高さＬｈを有する裏側溶接ビード２１ｂ、２２ｂを形成することができる。これにより、繰り返し荷重に対する溶接部２１、２２の強度の向上が可能となる。また、このような裏側溶接ビード２１ｂ、２２ｂの形成により、疲労強度が非常に高いものとなる等、前記実施の形態と同様の効果をあげることができる。
【００３２】
なお、アーク力調整ガスは、シールドガスと共に供給するのではなく、シールドガスと別系統で供給するようにしてもよく、また、アーク力調整ガスとしてはアルゴンガスではなく、同様の作用を有する別のガスを用いてもよい。
【００３３】
本発明を実施する場合、外側から溶接する部分は、上板１５と側板１７、１８との溶接部１９、２０としてもよく、また、四隅の溶接部１９〜２２の全部について外側から溶接を行なってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明によるブーム構造を適用する油圧ショベルの一例を示す側面図である。
【図２】図１の油圧ショベルのブームの一実施の形態を示す側面図である。
【図３】図２のＥ-Ｅ断面図である。
【図４】図３の四隅の溶接部を示す断面図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明のブームの製造方法の一実施の形態を示す工程図である。
【図６】本発明による場合の1層溶接後の状態を示す斜視図である。
【図７】本発明における側板と下板との溶接完了状態を示す図である。
【図８】従来の側板と下板との溶接部を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１：走行体、２：旋回装置、３：旋回体、４：油圧パワーユニット、５：運転室、６：バケット、７：ブーム、７ａ：湾曲部、９：アーム、１１：バケット、１２：フロントアタッチメント、１３：ブラケット、１４：ボス、１５：上板、１６：下板、１７、１８：側板、１７ａ：開先面、１７ｂ：ルートフェイス、１９〜２２：溶接部、１９ａ〜２２ａ：外側溶接ビード、１９ｂ〜２２ｂ：裏側溶接ビード、２３：溶接トーチ、２４：溶接ワイヤ、２５：アーク、２６：シールドガス、２７：溶融物
【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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【図８】
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