(57)【要約】【課題】母材と裏当て金との間の未溶着部を起点とした疲労破壊を抑制することができる溶接継手、溶接構造物、建設機械及び溶接方法を提供する。【解決手段】第１の母材３１と、開先３４を突合せて第１の母材３１に対向させた第２の母材３２と、開先３４のルートギャップ３４ａを跨いで第１及び第２の母材３１，３２に取り付けた裏当て金３３とを備え、開先３４から離れるに連れて母材３２の中立面Ｐ２を含む面Ｐ２’から母材３１の中立面Ｐ１が裏当て金３３と反対側に離れるように、開先３４を境にして母材３２に対して母材３１を傾斜させた溶接継手を提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の母材と、
開先を突合せて前記第１の母材に対向させた第２の母材と、
前記開先のルートギャップを跨いで前記第１及び第２の母材に取り付けた裏当て金とを備え、
前記開先から離れるに連れて前記第２の母材の中立面を含む面から前記第１の母材の中立面が前記裏当て金と反対側に離れるように、前記開先を境にして前記第２の母材に対して前記第１の母材が傾斜していることを特徴とする溶接継手。
【請求項２】
請求項１の溶接継手と、
前記裏当て金とは反対側から前記開先に形成した溶接金属と
を備えたことを特徴とする溶接構造物。
【請求項３】
請求項２の溶接構造物を含む建設機械。
【請求項４】
開先を突合せて対向する第１及び第２の母材を接合する溶接方法であって、
前記開先から離れるに連れて前記第２の母材の中立面を含む面から前記第１の母材の中立面が裏当て金と反対側に離れるように、前記開先を境にして前記第２の母材に対して前記第１の母材を傾斜させ、
前記開先のルートギャップを跨いで前記第１及び第２の母材に裏当て金を取り付け、
前記裏当て金とは反対側から前記開先に溶接金属を形成することを特徴とする溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、裏当て金を用いた溶接継手、これを含んだ溶接構造物及び建設機械、並びに溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
裏当て金付き突合せ溶接は母材の片面から溶接することができるため、裏側の溶接が困難な構造物においてよく使用される。しかし、母材と裏当て金との間にノッチ状の未溶着部が残ってしまい、母材に繰り返し外力が加わった際に未溶着部に応力が集中し疲労破壊を起こし易いという課題がある。
【０００３】
それに対し、母材端部を曲げ加工して開先を特殊な形状として裏当て金を省略したり、特殊な裏当て金を用いたりして継手強度の向上を図る技術が提唱されている（特許文献１，２等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１６４４９６号公報
【特許文献２】特開平０９−２５３８９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の技術では裏波溶接に高度な溶接技術が要求され、また溶接難易度が高いため溶接工が限定され、工数も増大する。何より開先の形成に手間を要する。一方の特許文献２の技術では、弾性係数や線膨張率の異なる二種類の材料で構成した特殊な裏当て金の製作に工数を要する。
【０００６】
そこで本発明は、特殊な開先や裏当て金を要することなく、母材と裏当て金との間の未溶着部を起点とした疲労破壊を抑制することができる溶接継手、溶接構造物、建設機械及び溶接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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る溶接継手は、第１の母材と、開先を突合せて前記第１の母材に対向させた第２の母材と、前記開先のルートギャップを跨いで前記第１及び第２の母材に取り付けた裏当て金とを備え、前記開先から離れるに連れて前記第２の母材の中立面を含む面から前記第１の母材の中立面が前記裏当て金と反対側に離れるように、前記開先を境にして前記第２の母材に対して前記第１の母材が傾斜していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、特殊な開先や裏当て金を要することなく、母材と裏当て金との間の未溶着部を起点とした疲労破壊を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る溶接継手を溶接線と直交する方向から見た図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る溶接構造物を溶接線と直交する方向から見た図である。
【図３】本発明の一実施形態の作用を説明する図である。
【図４】本発明に係る溶接継手の適用対象となり得る建設機械の一例である油圧ショベルの側面図である。
【図５】図４に示した油圧ショベルのブームを抜き出して表した側面図である。
【図６】図５に示したブームに本発明の一実施形態に係る溶接継手を適用した一実施例を示す図であり、図５中のiii−iii線による矢視断面図に相当する図である。
【図７】比較例に係る溶接構造物の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
１．溶接継手
図１は本発明の一実施形態に係る溶接継手を溶接線と直交する方向から見た図である。この図に示した溶接継手は、第１の母材３１（以下、単に母材３１と記載する）、第２の母材３２（以下、単に母材３２と記載する）及び裏当て金３３を備えている。母材３１，３２は平板状の部材であって、開先３４を突合せて互いに対向する突合せ継手である。開先３４は特殊な形状にする必要はなく、例えば母材３１，３２の表側から裏側に向かって狭まるＶ字型のもので足りる。この開先３４は、母材３１，３２の少なくとも一方の端面を斜めに形成することにより形成されている。母材３１，３２の表側とは溶接施工をする側であり、裏側とはその反対側である。裏当て金３３は、開先３４のルートギャップ３４ａを跨いで母材３１，３２の少なくとも一方の裏側に点溶接等によって取り付けられている（仮止めされている）。裏当て金３３は材質や形状が特殊なものである必要はなく、従来から裏当て金付き突合せ溶接で使用されている一般的な平板形状のもので良い。
【００１２】
母材３１，３２は、母材３１の中立面Ｐ１が、開先３４から離れるに連れて母材３２の中立面Ｐ２を含む面Ｐ２’から裏当て金３３と反対側に離れるように、母材３１に対して母材３２が開先３４を境にして傾斜している。これにより、母材３２の中立面Ｐ２を含む面Ｐ２’に母材３１の中立面Ｐ１が含まれないようになっている（中立面Ｐ１が面Ｐ２’から外れている）。ルートギャップ３４ａの部分において、母材３１，３２のルート側の開先先端（図中の下端部）は対向しており、裏当て金３３に母材３１，３２の開先先端の少なくとも一方が接触又は近接している。
【００１３】
２．溶接構造物
図２は本発明の一実施形態に係る溶接構造物を溶接線と直交する方向から見た図である。この図に示した溶接構造物は、溶接金属３５と図１に示した溶接継手とを含んでいる。溶接金属３５は、裏当て金３３とは反対側から溶接を施工することによって開先３４に形成されている。開先３４に沿って溶接金属３５を形成することで、母材３１，３２が互いに接合されている。この際の溶接施工は、開先３４のルート側に裏当て金３３があるため通常の裏当て金付き突合せ溶接と同じであり、裏波溶接のような高度な技能を必要としない。
【００１４】
この溶接方法（溶接構造物の製造方法）は次の通りである。まず、母材３１の中立面Ｐ１が母材３２の中立面Ｐ２を含む面Ｐ２’に含まれないように、開先３４を突合せて母材３１，３２を対向させる。具体的には、前述したように、母材３１の中立面Ｐ１が開先３４から離れるに連れて母材３２の中立面Ｐ２を含む面Ｐ２’から離れるように、母材３１，３２を互いに傾斜させた状態で開先３４を突合せて対向させる。そして、開先３４のルートギャップ３４ａを跨いで母材３１，３２に裏当て金３３を取り付け、裏当て金３３とは反対側から開先３４に溶接金属３５を形成する。
【００１５】
３．比較例
図７は比較例に係る溶接構造物の模式図であって図２に対応する図である。この図に示した溶接構造物では、同じ板厚の平板状の母材Ａ，Ｂが裏当て金付き突合せ溶接により接合されている。母材Ａ，Ｂの中立面は同一平面に含まれているものとする。溶接金属Ｄには、裏当て金Ｃと母材Ａ，Ｂとの間に未溶着部Ｅが存在する。この溶接構造物に対して、例えば図７に矢印で示したように母材Ａ，Ｂの面方向に引張荷重が繰り返し作用すると、未溶着部Ｅが疲労破壊の起点となるリスクが高まる。
【００１６】
４．効果
図３は本実施形態の作用を説明する図である。本実施形態の溶接構造物において、図３に太矢印で示したように母材３１，３２を離反させる方向に引張荷重が作用すると、母材３１の中立面Ｐ１が母材３２の中立面Ｐ２を含む面Ｐ２’に近付くような変形が生じる。溶接金属３５の全体に対しては母材３１，３２が離反する方向に引張応力が発生するところ、先の変形に伴い、溶接金属３５の表側には引張応力が、裏当て金３３側には圧縮方向に応力が付加される。従って、溶接金属３５の表側の引張応力は大きくなり、裏側の引張応力は小さくなる。こうして溶接金属３５の裏側に作用する引張応力を軽減することにより、特殊な開先や裏当て金を要することなく、裏当て金付き突合せ溶接継手において疲労破壊の起点となり易い裏当て金側の引張応力を軽減することができ、疲労破壊を抑制することができる。
【００１７】
なお、引張応力が大きくなる溶接金属３５の表側においては、例えばグラインダー処理をして表面形状を滑らかにする、又はショットピーニング等により圧縮残留応力を付与する等、後処理によって疲労強度を改善することができる。
【００１８】
５．実施例
（１）建設機械
図４は本発明に係る溶接継手の適用対象となり得る建設機械の一例である油圧ショベルの側面図である。以下の説明において断り書きのない場合は運転席の前方（同図中においては左方向）を機体の前方とする。なお、油圧ショベルの例示は本発明に係る溶接継手の適用対象を限定するものではなく、ホイールローダやクレーン、ブルドーザ等の他種の建設機械であっても、本発明に係る溶接継手は必要に応じて適用され得る。
【００１９】
図４に示した油圧ショベルは、走行移動用の走行体４、及び走行体４の上部に旋回自在に搭載した旋回体５を備えている。旋回体５は、旋回体フレーム上に設置したエンジン室７、エンジン室７の前方左側に設けた運転室６、運転室６の右側から前方に延びるフロント作業機、及びエンジン室７の後方に設けたカウンタウェイト８を備えている。エンジン室７には、特に図示していないが、エンジンや熱交換器、バッテリー等の各種機器類が収容してある。
【００２０】
フロント作業機は、旋回体フレームに基部が回動自在に連結したブーム９、ブーム９の先端に回動自在に連結したアーム２、及びアーム２の先端に回動自在に連結したバケット１２を備えている。ブーム９、アーム２及びバケット１２は、それぞれ例えば油圧駆動式のブームシリンダ１０、アームシリンダ１１及びバケットシリンダ１３によって前後方向に延びる鉛直面内で動作するようになっている。
【００２１】
（２）ブーム
図５はブーム９を抜き出して表した側面図である。図５に示したように、ブーム９は、側板１９，２０、上板２７及び下板２８を溶接により接合することで中空に構成されていて、側面から見て上に凸となるように湾曲した形状に形成されている。このブーム９には、アームシリンダ１１を連結するためのブラケット１４、ブームシリンダ１０を連結するためのボス１５、ブーム９と旋回体５を連結するためのボス１６、ブーム９とアーム２を連結するためのボス１７が備わっている。ブーム９の左側面は複数の板材を接合してなっており、例えば湾曲部から基部側にかけての部分を見ても、ボス１６を設けた基部側の側板１９とボス１５を設けた湾曲部の側板２０とが突合せ溶接部２１で接合してある。また、基部側の側板１９には曲げ部１８が設けられている。曲げ部１８を設けることで、上から見てブーム９の基部（ボス１６側の部分）がそれよりも前方側の部分より太くなっており、フロント作業機全体のモーメント荷重を支持するのに十分な剛性が与えられている。ブーム９の右側面も左側面と同様の構成である。
【００２２】
但し、突合せ溶接部２１と曲げ部１８が別々に存在する構造とする場合、ブーム９の製造過程において側板１９の曲げ加工と側板１９，２０の接合の工程を要する。
【００２３】
図６はブーム９に本発明の一実施形態に係る溶接継手を適用した一実施例を示す図であり、図５中のiii−iii線による矢視断面図に相当する。この図６に示したように突合せ溶接部２１を曲げ部１８の位置に一致させ、前述した実施形態（図１−図３の例）のように側板１９，２０の中立面を曲げ部１８と同じ角度に傾斜させて裏当て金付き突合せ溶接を施工する。これにより、側板１９には曲げ部１８のない板材を使用することができ、曲げ加工の工程を省略することができる。従って、ブーム９、ひいては油圧ショベルの製造効率を向上させることができる。溶接金属の裏当て金２２側の部位に作用する引張応力、ひいては疲労破壊を抑制することができることは、前述した通りである。
【００２４】
なお、本実施例では、特に好適な適用箇所としてブーム９を例示したが、これは発明の適用箇所をブーム９に限定する意図ではなく、例えばアーム２や走行体４のフレーム等、他の箇所にも必要に応じて本発明は適用され得る。
【符号の説明】
【００２５】
１９…側板（第１の母材）、２０…側板（第２の母材）、２１…突合せ溶接部、２２…裏当て金、３１…第１の母材、３２…第２の母材、３３…裏当て金、３４…開先、３４ａ…ルートギャップ、３５…溶接金属、Ｐ１…第１の母材の中立面、Ｐ２…第２の母材の中立面、Ｐ２’…第２の母材の中立面を含む面
【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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