(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状部材からなる母材同士の突合せ溶接で、環状に１層または複数層の溶接を行う溶接部構造において、
環状に連なる溶接部が、溶接開始点と溶接終了点との間が未溶接となる１又は複数の短い溶接構成部と長い溶接構成部とを有し、各溶接構成部の溶接開始点と溶接終了点からなる端部が重なる繋ぎ部が複数形成されており、
前記短い溶接構成部の溶接開始点および長い溶接構成部の溶接開始点の重なった個所の第１繋ぎ部から、短い溶接構成部の溶接終了点および長い溶接構成部の溶接終了点の重なった個所の第２繋ぎ部までの残留応力変化部の両端間の長さを、母材の板厚の３から５倍の範囲内に設定してなることを特徴とする溶接部構造。
【請求項２】
円筒状部材からなる母材同士の突合せ溶接で、環状に１層または複数層の溶接を行う溶接部構造において、
環状に連なる溶接部が、溶接開始点と溶接終了点との間が未溶接となる１又は複数の短い溶接構成部と長い溶接構成部とを有して、各溶接構成部の溶接開始点と溶接終了点からなる端部が重なる繋ぎ部が複数形成されており、
前記短い溶接構成部の溶接開始点および長い溶接構成部の溶接開始点の重なった個所の第１繋ぎ部から短い溶接構成部の溶接終了点および長い溶接構成部の溶接終了点の重なった個所の第２繋ぎ部までの残留応力変化部の両端と円筒部材の円筒中心を結ぶ直線との交叉角が、３０度から６０度の範囲内に設定してなることを特徴とする溶接部構造。
【請求項３】
円筒状部材が、中・大型トラック用全浮動式車軸のケースの中央のケース本体の端部の円筒部分と、円筒状のスピンドル部材とからなり、溶接部が前記ケース本体の円筒部分とスピンドル部材同士の突合せ溶接部からなっていることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接部構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車軸ケースその他の円筒状部材同士の接合部の強度を向上させる溶接部構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車軸ケースのケース本体の長手方向両端部とスピンドルとの溶接接合のように円筒状部材２１、２２同士の突合せ溶接においては、図５に示すように、通常は円筒状部材２１、２２の外側のみから溶接を施すため、円筒状部材２１、２２の内面に未溶着部２５が残り、このため溶着部２０での板厚Ｌ２が母材の板厚Ｌ１より短くなるため、継ぎ手効率は１以下となり、溶接部２０の強度低下の原因となっている。
これを防止するため、図６に示すような裏当て材（リング状の当金）２６を円筒状部材２１、２２の接合部の内側に追加したり、図７に示すように継ぎ手の一方（図示例では２１）と裏当て材２６’を一体化した継ぎ手形状を使用し、円筒状部材の外側から溶接する際に裏当て材２６、２６’まで溶着させることにより、母材となる円筒状部材２１、２２の未溶着部を無くし、継ぎ手効率を１とすることが行われている。
このような場合には溶着部２０の板厚は母材２１、２２と同じになるが、裏当て材２６、２６’と母材２１、２２との隙間が亀裂として作用し、この隙間の底部２７、２７’に応力が集中する。
【０００３】
さらに、円筒状部材２１、２２及びリング状の裏当て材２６、２６’を溶接することにより、発生した溶接熱が冷却する過程で、裏当て材２６、２６’及び溶着金属２０の径が収縮し、この変形で図８に示すように、溶接部２０の外表面側には圧縮応力が残留し、溶接部２０の内表面側には引張応力が残留してしまう。
この溶接後の引張りの残留応力（図８中、一点鎖線で模式的に示す）Ｓと、前記裏当て材２６、２６’と母材２１、２２との隙間の底部２７、２７’に発生する応力集中が、相乗的に作用して溶接部２０の強度を低下させ亀裂などが発生する虞れがあった。
そこで、本出願人は、特願２００４−２６２３０２の車軸ケースでは、ケース本体とスピンドルの少なくとも一方の接合端部を接合端部に連続する隣接部と比べて上下方向寸法が小さくなるようにして接合部の強度向上を図っている。また、特願２００５−１６１３７８の溶接部構造及び溶接方法では、筒状部材の少なくとも一方の端部に当金と接触する接触部と、接触部に対して当金から離れる方向に傾斜される傾斜部と、その傾斜部に連続し当金に対して間隔を隔てて配置される段差部とを設け、上記接触部と傾斜部の一部とを覆うように溶接ビートを設けて、接合部の強度を向上させている。
【特許文献１】特願２００４−２６２３０２
【特許文献２】特願２００５−１６１３７８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本出願人は更に鋭意研究開発の結果、この発明を創案したものであって、その主たる課題は、溶接の繋ぎ部を所定間隔で複数設けることで残留応力を小さくして円筒状部材の溶接継ぎ手の強度を向上することにある。
また、この発明では、円筒状部材の溶接継ぎ手の強度を低下させることなく、円筒状部材の板厚を低減し、部品の軽量化と材料費の節減を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、請求項１の発明では、
円筒状部材からなる母材同士の突合せ溶接で、環状に１層または複数層の溶接を行う溶接部構造において、
環状に連なる溶接部が、溶接開始点と溶接終了点との間が未溶接となる１又は複数の短い溶接構成部と長い溶接構成部とを有し、各溶接構成部の溶接開始点と溶接終了点からなる端部が重なる繋ぎ部が複数形成されており、
前記短い溶接構成部の溶接開始点および長い溶接構成部の溶接開始点の重なった個所の第１繋ぎ部から、短い溶接構成部の溶接終了点および長い溶接構成部の溶接終了点の重なった個所の第２繋ぎ部までの残留応力変化部の両端間の長さを、母材の板厚の３から５倍の範囲内に設定してなることを特徴とする。
請求項２の発明では、
円筒状部材からなる母材同士の突合せ溶接で、環状に１層または複数層の溶接を行う溶接部構造において、
環状に連なる溶接部が、溶接開始点と溶接終了点との間が未溶接となる１又は複数の短い溶接構成部と長い溶接構成部とを有して、各溶接構成部の溶接開始点と溶接終了点からなる端部が重なる繋ぎ部が複数形成されており、
前記短い溶接構成部の溶接開始点および長い溶接構成部の溶接開始点の重なった個所の第１繋ぎ部から短い溶接構成部の溶接終了点および長い溶接構成部の溶接終了点の重なった個所の第２繋ぎ部までの残留応力変化部の両端と円筒部材の円筒中心を結ぶ直線との交叉角が、３０度から６０度の範囲内に設定してなることを特徴とする。
更に、請求項３の発明では、
前記円筒状部材が、中・大型トラック用全浮動式車軸のケースの中央のケース本体の端部の円筒部分と、円筒状のスピンドル部材とからなり、溶接部が前記ケース本体の円筒部分とスピンドル部材同士の突合せ溶接部からなっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
この発明では、円筒状部材の突合せ溶接部の内表面側に生じる最も大きな応力集中部の引張残留応力を緩和し、圧縮応力に転換する範囲を広くできる。
そこで、円筒状部材同士の溶接部が一定の方向に曲げられるような負荷に対しては、この負荷に対して最も強度上厳しくなる部位の引張残留応力を緩和ないし圧縮に転換した範囲で完全に覆うことにより、この接合部の耐久性を大幅に改善できる。
また、逆に耐久性の改善が必要ない場合には、従来と同じ耐久性を維持しつつ、円筒状部材の材質や板厚を低下させることが可能となる。
従って、いずれの場合も材料費の節減が可能となり、特に板厚を低下させた場合には構造部材の重量を低減でき、車軸ケースなどの車両部材に応用した場合には燃費の向上や、積載量の増加といった商品価値の向上が可能となり、材料資源や燃料の節減を通じた社会環境の改善に貢献できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、この発明の円筒状部材の溶接部構造の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
従来の溶接では、図８に示したように、母材である円筒部材２１、２２同士の接合部の溶接部２０は、開始点２０ａと終了点２０ｂを重ねる１層とし、溶接の不連続部をなくしている。
【０００８】
この溶接部２０は、入熱後（溶接後）、溶接線の両側二方向から冷却されるのに対し、開始点２０ａと終了点２０ｂとが重なった繋ぎ部Ｐ２０は単一であって、これら二方向と溶接終了点２０ｂの溶接線延長方向からも冷却されるため、溶接が連続する部分に比べて早く冷却される。
このため、繋ぎ部Ｐ２０の冷却後の残留応力Ｓは連続部のものに比べて小さくなり、母材２１、２２と裏当て材２６の隙間の底部２７の応力集中部(図６参照）をさらに強度低下させる引張りの残留応力も小さくなり、溶接条件によっては圧縮の残留応力となる場合さえある。
【０００９】
そこで、この発明では、環状に１層または複数層に溶接される溶接部を、複数の溶接構成部で形成するようにし、各溶接構成部の端部で重なる繋ぎ部を所定の間隔で複数設けることで、溶接部の強度の向上を実現した。
【実施例１】
【００１０】
図１は、裏当て材を省略した実施例１の溶接部構造における溶接進行手順（図中、外側の２点鎖線で示す）と、溶接部の内表面側の残留応力（図中、内側の一点鎖線で模式的に示す）Ｓを説明する図であり、裏当て材は図示省略している（以下、同じ）。
【００１１】
図１に示す実施例１の溶接部構造では、溶接開始点と溶接終了点との間が未溶接となる短い溶接構成部としての第１溶接構成部１と、溶接開始点と溶接終了点との間が未溶接となる長い溶接構成部としての第２溶接構成部２とを設けている。
この溶接構成部では、一対の筒状部材に図６や図７に示したような裏当て材を追加した突合せ溶接の継手において、環状に形成された溶接部１０は、第１溶接構成部１として、突合せ継手の開先に沿って一定方向（図示例では反時計方向）に第１開始点１ａから第１終了点１ｂまで所定の長さ、即ち、後述の残留応力変化部１１を形成する範囲までの溶接を行う。
【００１２】
次いで第２溶接構成部２として、前記第１開始点１ａと重なる位置を第２開始点２ａとし、前記と反対方向（図示例では時計方向）に接合部に沿って前記第１終了点１ｂと重なる位置を第２終了点２ｂとして溶接を行ない、溶接部１０が形成されている。
【００１３】
そして、第１開始点１ａおよび第２開始点２ａの重なった個所の第１繋ぎ部Ｐ１から、第１終了点１ｂおよび第２終了点２ｂの重なった個所の第２繋ぎ部Ｐ２までが残留応力変化部１１となっており、その長さが母材の板厚ｔの３倍から５倍の範囲内の長さに設定されている(図４参照）。
【００１４】
ここで、残留応力変化部１１の間隔が母材の板厚ｔの３倍未満の場合には間隔が狭すぎて効果的に引張残留応力を低下できず、５倍を超える場合には残留応力変化部が分断して生じてしまうので引張残留応力を低下できない欠点がある。
【００１５】
この様に繋ぎ部の間隔を所定の長さに設定することにより、各繋ぎ部の近傍には残留応力の低い範囲を連続的に発生させ、あるいは圧縮の残留応力となる範囲が繋がって広い範囲となる。
そこで、これら繋ぎ部間に形成される残留応力変化部１１を、母材となる筒状部材の溶接継手の応力的に厳しい位置を覆うように配置することで、溶接部の強度を向上できる。
【００１６】
例えば、母材となる筒状部材として、図９に示すような車軸ケース６の中央に設けられるケース本体６ａと、その両端に溶接されるスピンドル部材６ｂとの溶接接合に適用する場合には、応力的に厳しいのは上下曲げで引張応力の発生する最下部となるので、近くに隅肉溶接されているブレーキ取付用のリング状ブラケットなどは全周溶接を避けて、最下面側９０度ないし１２０度の範囲を未溶接としている例がある。
【００１７】
しかし、スピンドル突合せ溶接部を未溶接とすると接合される断面積が減少してより強度が低下してしまう上、内部のギヤ用潤滑油が漏れ出てしまい、現実的でない。
したがって、この発明を車軸ケースのスピンドル溶接部に適用する場合には、溶接の複数の繋ぎ部からなる残留応力変化部１１が車軸ケースの最下面近傍に配置されるように形成することが好ましい。
【実施例２】
【００１８】
前記実施例１では、円筒状部材の接合部にした溶接が一層で、溶接個所の繋ぎ部が２箇所の場合を説明したが、この発明では、溶接が複数層のものや、繋ぎ部が３個所以上の場合であっても同様の効果が得られる。
【００１９】
図２に示す実施例２の溶接部構造は、溶接部１０が複数層の場合の一例を示し、
溶接開始点と溶接終了点との間が未溶接となる短い溶接構成部としての第１溶接構成部１と、全周を１回転して溶接した第２溶接構成部２と、溶接開始点と溶接終了点との間が未溶接となる長い溶接構成部としての第３溶接構成部３とを設けている。
この溶接部構造では、第１溶接構成部１が、第１開始点１ａから第１終了点１ｂまで、一定方向（図示例では反時計方向）に一定長さ、即ち、残留応力変化部１１を形成する個所まで溶接される。
次いで、第２溶接構成部２として、第１終了点１ｂと重なる位置に第２溶接構成部の第２開始点２ａを設定し、第１溶接構成部１と逆方向（図示例では時計方向）に１回転して溶接し第２開始点２ａと重なる位置を第２終了点２ｂとする。
【００２０】
次いで、第３溶接構成部３として、該第２終了点２ｂと重なる位置に第３溶接構成部の第３開始点３ａを設定し、第２溶接構成部２とは逆方向(反時計方向)に溶接して前記第１開始点１ａと重なる位置を第３終了点３ｂに設定する。
この場合の第１開始点１ａと第３終了点３ｂの重なる繋ぎ部Ｐ１と、第１終了点１ｂ、第２開始点２ａ、第３開始点の重なる繋ぎ部Ｐ２との間が残留応力変化部１１となり、図示省略の母材の厚みの３から５倍の範囲内の長さに設定される。
【実施例３】
【００２１】
図３に示す実施例３の溶接構造では、溶接部が１層であって、繋ぎ部が３個所の場合の一例を示し、溶接開始点と溶接終了点との間が未溶接となる短い溶接構成部としての第１溶接構成部１と、溶接開始点と溶接終了点との間が未溶接となる短い溶接構成部としての第２溶接構成部２と、溶接開始点と溶接終了点との間が未溶接となる長い溶接構成部としての第３溶接構成部３とを設けている。
この溶接構造では、第１溶接構成部１の第１開始点１ａから一定方向（図示例では反時計方向）に一定長さ、即ち、第１の残留応力変化部１１を形成する個所まで溶接し第１終了点１ｂとする。
【００２２】
次いで、前記第１開始点１ａから反対方向（図示例では時計方向）に一定長さ、即ち、第２の残留応力変化部１２を形成する個所まで離間した位置に第２溶接構成部の第２開始点２ａが設定され、一定方向（図示例では反時計方向）に前記第１開始点１ａと重なる位置まで溶接して第２終了点２ｂが設定される。
【００２３】
次いで、第３溶接構成部３の第３開始点３ａが、前記第１終了点１ｂと重なる位置に設定され、一定方向（図示例では反時計方向）に溶接して前記第２開始点２ａと重なる位置に第３終了点３ｂが設定される。
これにより、第２開始点２ａと第３終了点３ｂとの第３の繋ぎ部Ｐ３と、第１開始点１ａと第２終了点２ｂとの第２の繋ぎ部Ｐ２と、第１終了点１ｂと第３開始点３ａとの第１の繋ぎ部Ｐ１とが形成される。
【００２４】
この場合、隣接する繋ぎ部の間隔、即ち第１と第２の繋ぎ部との間隔Ｐ１−Ｐ２が第１の残留応力変化部１１となり、第２と第３の繋ぎ部との間隔Ｐ２−Ｐ３が第２の残留応力変化部１２となり、残留応力変化部１１、１２のそれぞれが母材の厚みの３から５倍の範囲内の長さに設定される。
上記実施例では繋ぎ部を３個所としたが、３個所以上に繋ぎ目を設けてもよい。
【００２５】
上記実施例では、隣接する繋ぎ部の間隔を母材の厚みの３から５倍の長さの範囲内に設定したが、この発明では、図４に示すように、隣接する繋ぎ部（残留応力変化部）と円筒部材の円筒中心を結ぶ直線の交叉角が３０〜６０度の範囲内の場合にも同様の効果を奏することが確認できた。
【００２６】
上記実施例では、円筒状部材同士を突合せ溶接する場合について例示したが、この発明では、図９に例示するような中、大型トラック用の全浮動式車軸ケースなどの車軸ケースにおいて、中央部となるケース本体と、該ケース本体の円筒状両端部と、両端の円筒状のスピンドル部材との突合せ溶接に適用できることは勿論、その他、各種の円筒状部材同士を突合せ溶接する場合に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施例１の溶接部構造における溶接進行手順と内表面側の残留応力を模式的に示す説明図である。
【図２】実施例２のの溶接部構造における溶接進行手順と内表面側の残留応力を模式的に示す説明図である。
【図３】実施例３のの溶接部構造における溶接進行手順と内表面側の残留応力を模式的に示す説明図である。
【図４】残留応力変化部の範囲を模式的に示す説明図である。
【図５】（ａ）は従来の円筒状部材を母材とする突合せ溶接を示す図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図６】裏当て材を追加した場合の溶接構造を示す断面図である。
【図７】一方の母材に裏当て材を一体形成した場合の溶接構造を示す断面図である。
【図８】従来の溶接部構造における溶接進行手順と内表面側の残留応力を模式的に示す説明図である。
【図９】車軸ケースを示す正面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１      第１溶接構成部
１ａ    第１開始点
１ｂ    第１終了点
２      第２溶接構成部
２ａ    第２開始点
２ｂ    第２終了点
３      第３溶接構成部
３ａ    第３開始点
３ｂ    第３終了点
６      車軸ケース
６ａ    ケース本体
６ｂ    スピンドル部
１０      溶接部
１１      （第１の）残留応力変化部
１２      第２残留応力変化部
Ｐ１      第１繋ぎ部
Ｐ２      第２繋ぎ部
Ｐ３      第３繋ぎ部
【図１】
0005139648.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0005139648.tif 000006
【図６】
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【図７】
0005139648.tif 000008
【図８】
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【図９】
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