JP2021003722A

JP2021003722A - 溶接構造部材

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Publication number: JP2021003722A
Application number: JP2019118555A
Authority: JP
Inventors: 正裕小川; Masahiro Ogawa; 真二児玉; Shinji Kodama
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-06-26
Filing date: 2019-06-26
Publication date: 2021-01-14
Anticipated expiration: 2039-06-26
Also published as: JP7252456B2

Abstract

【課題】優れた疲労強度を有する溶接構造部材を提供する。【解決手段】溶接構造部材３１は、ベース部材３２、接合部材３４、溶接ビード３６、第１補剛ビード３８および第２補剛ビード３９を有する。ベース部材３２は、平面４２ａを有する第１板状部４２を含む。接合部材３４は、平面４２ａに突き当てられた突き当て面４４ａ、並びに突き当て面４４ａから平面４２ａに交差する方向に延びる第１面４４ｂおよび第２面４４ｃを有する第２板状部４４を含む。溶接ビード３６は、突き当て面４４ａの第１面４４ｂ側の縁部に沿って延び、ベース部材３２と接合部材３４とを接合する。第１補剛ビード３８は、溶接ビード３６から見て第２板状部４４とは反対側において、溶接ビード３６に対して略平行に延びるように平面４２ａ上に設けられる。第２補剛ビード３９は、溶接ビード３６から離れた位置において平面４２ａ上に設けられる。【選択図】図７

Description

本発明は、溶接構造部材に関する。

近年、自動車の燃費向上のために、車体の軽量化が進められている。そして、車体の軽量化を実現するために、高強度の薄鋼板同士を溶接した溶接構造部材が車体材料として用いられている。

車体の構成部材として用いられる溶接構造部材には、優れた疲労強度が求められる。しかしながら、高強度薄鋼板を用いた場合でも溶接構造部材の疲労強度を十分に向上させることは難しい。そこで、従来、溶接構造部材の疲労強度を向上させるための種々の技術が提案されている。

例えば、特許文献１に開示された隅肉アーク溶接継手は、金属部材同士を接合するための隅肉ビードと、該隅肉ビードに重なるように形成された補剛用ビードとを備えている。特許文献１には、上記のように形成された補剛用ビードによって、溶接継手の疲労強度を向上させることができることが記載されている。

国際公開第２０１３／１５７５５７号

しかしながら、本発明者らの種々の検討の結果、上記のように隅肉ビードと補剛用ビードとを重ねて形成した場合、ビード同士が重なる部分において応力集中が生じるおそれがあることが分かった。この場合には、応力集中部において疲労強度が低下することが考えられる。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、優れた疲労強度を有する溶接構造部材を提供することを目的としている。

本発明は、下記の溶接構造部材を要旨とする。

（１）平面を有する第１板状部を含み、かつ金属からなるベース部材と、
前記ベース部材の前記平面に突き当てられた突き当て面、並びに前記突き当て面から前記平面に交差する方向に延びる互いに平行な第１面および第２面を有する第２板状部を含み、かつ金属からなる接合部材と、
前記突き当て面の前記第１面側の縁部に沿って延び、かつ前記ベース部材の前記平面と前記接合部材とを接合する溶接ビードと、
前記溶接ビードから見て前記第２板状部とは反対側において前記ベース部材の前記平面上に形成され、かつ前記溶接ビードに対して略平行に延びる第１補剛ビードと、
前記溶接ビードから離れた位置において前記ベース部材の前記平面上に設けられる第２補剛ビードとを備える、溶接構造部材。

（２）前記溶接ビードの延伸方向における前記突き当て面の端部を基準として、該端部から前記延伸方向に見て前記突き当て面が存在する方向を後方、その逆方向を前方とした場合に、
前記溶接ビードは、前記突き当て面の前記端部よりも前方に突出しており、
前記第１補剛ビードは、前記第２板状部の前端部と前記溶接ビードとの境界部の近傍の剛性を向上させ、
前記第２補剛ビードは、前記第１補剛ビードによる剛性の向上効果を高める、上記（１）に記載の溶接構造部材。

（３）前記ベース部材の前記平面に直交する方向から見て、前記第２補剛ビードは、前記第１補剛ビードの延伸方向に対して直交する方向に延びる、上記（１）または（２）に記載の溶接構造部材。

（４）前記溶接ビードの延伸方向における前記突き当て面の端部を基準として、該端部から前記延伸方向に見て前記突き当て面が存在する方向を後方、その逆方向を前方とした場合に、
前記溶接ビードは、前記突き当て面の前記端部よりも前方に突出しており、
前記溶接ビードの前端よりも後方に、前記直交する方向に延びる複数の前記第２補剛ビードが設けられ、
前記直交する方向における前記第２補剛ビードの長さは、前記後方側に位置する前記第２補剛ビードほど長い、上記（３）に記載の溶接構造部材。

（５）前記第２補剛ビードは、前記第２板状部から見て前記溶接ビードとは反対側において、前記突き当て面の前記第２面側の縁部に対して略平行に延びる、上記（１）または（２）に記載の溶接構造部材。

（６）前記第１補剛ビードの長さと前記第２補剛ビードの長さとは略等しい、上記（５）に記載の溶接構造部材。

（７）前記ベース部材の前記平面に直交する方向から見て、前記第１補剛ビードと前記第２補剛ビードとは、前記突き当て面の前記第２面側の縁部を対称軸として線対称となる位置に設けられている、上記（５）または（６）に記載の溶接構造部材。

本発明によれば、溶接構造部材の疲労強度を向上させることができる。

図１は、溶接構造部材の解析モデルを示す斜視図である。図２は、解析モデルの左右方向における中央部を示す平面図である。図３は、補剛ビードを有する解析モデルを示す平面図である。図４は、解析結果を示す図である。図５は、図３の解析モデルに別の補剛ビードを追加した構成を有する解析モデルを示す平面図である。図６は、解析結果を示す図である。図７は、本発明の一実施形態に係る溶接構造部材を示す斜視図である。図８は、ベース部材および接合部材を示す正面図である。図９は、ベース部材、接合部材の突き当て面、溶接ビードおよび補剛ビードを、ベース部材の平面に対して直交する方向に投影した図である。図１０は、本発明の変形例を示す図である。図１１は、本発明の変形例を示す図である。図１２は、本発明の変形例を示す図である。図１３は、本発明の変形例を示す図である。図１４は、本発明の変形例を示す図である。図１５は、本発明の変形例を示す図である。図１６は、本発明の変形例を示す図である。図１７は、本発明の変形例を示す図である。図１８は、本発明の変形例を示す図である。図１９は、本発明の変形例を示す図である。図２０は、本発明の変形例を示す図である。図２１は、本発明の変形例を示す図である。図２２は、本発明の変形例を示す図である。

（本発明者らによる検討）
本発明者らは、溶接構造部材の疲労強度を向上させるために、種々の検討を行なった。具体的には、溶接構造部材の解析モデルを作成してＦＥＭ解析を行なうことによって、溶接構造部材の疲労強度についての検討を行なった。

図１は、溶接構造部材の解析モデルを示す斜視図である。図１に示すように、解析モデル１０は、第１方向Ｄ１に延びるベース部材１２、第１方向Ｄ１に直交する第２方向Ｄ２に延びる接合部材１４、およびベース部材１２と接合部材１４とを接合する溶接ビード１６を備えている。ベース部材１２および接合部材１４はそれぞれ、開断面形状を有している。以下の説明では、第１方向Ｄ１を左右方向とし、第２方向Ｄ２を上下方向とする。

図２は、解析モデル１０の左右方向における中央部を示す平面図である。図２に示すように、解析モデル１０の平面視において、溶接ビード１６は、接合部材１４の外面に沿って設けられている。以下の説明では、平面視において、第１方向（左右方向）Ｄ１に直交する方向を前後方向とする。なお、本明細書において平面視とは、ベース部材の上面（平面）に対して直交する方向から見ることを意味する。

図１に示すように、ベース部材１２には、複数の穴１２ａ〜１２ｇが形成されている。また、前後方向において穴１２ｇに対向する位置にも穴１２ｈが形成されている。接合部材１４には、２つの穴１４ａ，１４ｂが形成されている。図１および図２に示すように、溶接ビード１６の両端は、接合部材１４の前端部１４ｃ，１４ｄよりも前方に突出している。

なお、本発明者らのこれまでの研究により、解析モデル１０では、接合部材１４を上方に引っ張った場合に、接合部材１４の前端部１４ｃ，１４ｄと溶接ビード１６との境界部１８ａ，１８ｂの近傍において、最大主応力の値が大きくなり易いことが分かっている。このため、解析モデル１０と同様の構成を有する溶接構造部材では、上記境界部１８ａ，１８ｂの近傍において亀裂が発生し易いと考えられる。したがって、溶接構造部材の疲労強度を向上させるためには、境界部１８ａ，１８ｂの近傍の剛性を向上させ、境界部１８ａ，１８ｂの近傍に生じる応力を低減させることが重要である。このような観点から、本発明者らは、以下に説明する解析を行なった。なお、以下の説明では、境界部１８ａ，１８ｂの近傍において最大主応力の値が大きくなり易い部分を応力集中部ともいう。

以下に、解析モデル１０の詳細な構成を示す。

（ベース部材）
厚み：２．６ｍｍ
上下方向（第２方向Ｄ２）の長さ：５０ｍｍ
左右方向（第１方向Ｄ１）の長さ：３００ｍｍ
前後方向（第１方向Ｄ１および第２方向Ｄ２に直交する方向）の長さ：１５０ｍｍ
穴１２ｂ，１２ｃの中心間距離：２３０ｍｍ
穴１２ａ，１２ｄの中心間距離：２３０ｍｍ
穴１２ｆ，１２ｇの中心間距離：２３０ｍｍ
穴１２ｅ，１２ｈの中心間距離：２３０ｍｍ
穴１２ｂ，１２ａの中心間距離：１００ｍｍ
穴１２ｃ，１２ｄの中心間距離：１００ｍｍ
上面１３から穴１２ｆ，１２ｇ，１２ｅ，１２ｈの中心までの上下方向の距離：２５ｍｍ
ヤング率：２１００００ＭＰａ
ポアソン比：０．３

（接合部材）
厚み：２．６ｍｍ
上下方向の長さ：８０ｍｍ
左右方向の長さ：７０ｍｍ
前後方向の長さ：８０ｍｍ
穴１４ａの位置：側壁部１５ａの中央
穴１４ｂの位置：側壁部１５ｂの中央
ヤング率：２１００００ＭＰａ
ポアソン比：０．３

（溶接ビード）
幅ＷＢ（図２参照）：４．３ｍｍ
高さ（上下方向の長さ）：５．０ｍｍ
接合部材の前端部から前方へ突出する部分の長さＬＢ（図２参照）：１３．７ｍｍ
ヤング率：２１００００ＭＰａ
ポアソン比：０．３

ＦＥＭ解析では、ベース部材１２の複数の穴１２ａ〜１２ｈに固定治具（剛体）を配置してベース部材１２を固定するとともに、接合部材１４の穴１４ａ，１４ｂに円柱状の部材（剛体）を通し、その部材を介して接合部材１４を上方（ベース部材１２から離れる方向）に２．０ｋＮの力で引っ張った。そして、解析モデル１０において、境界部１８ａ，１８ｂの近傍の応力集中部に生じる最大主応力を求めた。その結果、最大主応力の最大値は、８３０ＭＰａであった。なお、解析モデル１０は、左右対称形状を有しているので、境界部１８ａの近傍の応力集中部に生じる最大主応力と、境界部１８ｂの近傍の応力集中部に生じる最大主応力は等しい。

さらに、本発明者らは、図３に示す解析モデル１０ａを作成した。解析モデル１０ａは、上述の解析モデル１０に対して、接合部材１４の外側（左右方向において溶接ビード１６から見て接合部材１４とは反対側）でかつベース部材１２の上面１３に、溶接ビード１６に対して平行に延びる（すなわち、前後方向に延びる）一対の補剛ビード２０を形成した構成を有している。この解析モデル１０ａを用いて、上述の解析と同様に、接合部材１４を上方に２．０ｋＮの力で引っ張り、上記境界部１８ａ，１８ｂの近傍の応力集中部に生じる最大主応力を求めた。なお、本発明者らは、前後方向における補剛ビード２０の中心位置Ｐ_１が異なる複数の解析モデル１０ａを作成して、境界部１８ａ，１８ｂの近傍の応力集中部に生じる最大主応力を求めた。補剛ビード２０の形状は直方体とし、接合部材１４と補剛ビード２０との左右方向における距離ｄは５．３ｍｍとした。

以下に、補剛ビード２０の詳細な構成を示す。

（補剛ビード）
幅Ｗ１（左右方向の長さ）：５．０ｍｍ
高さ（上下方向の長さ）：２．０ｍｍ
前後方向の長さＬ１：３２．０ｍｍ
距離ｄ：５．３ｍｍ
ヤング率：２１００００ＭＰａ
ポアソン比：０．３

図４は、解析結果を示す図である。具体的には、図４は、補剛ビード２０の中心位置Ｐ_１と境界部１８ａ，１８ｂの近傍の応力集中部に生じる最大主応力の最大値との関係を示す。なお、図４において、補剛ビード２０の中心位置Ｐ_１は、接合部材１４の前端部１４ｃ，１４ｄの位置Ｐ_０からの前後方向における距離で示す。位置Ｐ_１が正の値で示されている場合には、位置Ｐ_１が位置Ｐ_０よりも前方の位置であることを意味し、位置Ｐ_１が負の値で示されている場合には、位置Ｐ_１が位置Ｐ_０よりも後方の位置であることを意味する。

図４に示した解析結果から、接合部材１４の前端部１４ｃ，１４ｄごとに、溶接ビード１６から見て接合部材１４とは反対側に、溶接ビード１６に対して略平行に延びるように補剛ビード２０を形成することによって、境界部１８ａ，１８ｂの近傍の応力集中部に生じる最大主応力の最大値を、補剛ビードを有していない解析モデル１０における最大主応力の最大値（８３０ＭＰａ）よりも十分に小さくすることが可能になることが分かった。これは、補剛ビード２０によって境界部１８ａ，１８ｂの近傍の応力集中部の剛性が向上したからだと考えられる。

本解析では、補剛ビード２０の中心位置Ｐ_１が前端部１４ｃ，１４ｄ（位置Ｐ_０）よりも前方に１０ｍｍの位置よりも後方に位置付けられている場合に、境界部１８ａ，１８ｂの近傍の応力集中部に生じる最大主応力の最大値を十分に小さくすることができた。また、補剛ビード２０の中心位置Ｐ_１が前端部１４ｃ，１４ｄ（位置Ｐ_０）から後方に７ｍｍ離れている場合に、境界部１８ａ，１８ｂの近傍の応力集中部に生じる最大主応力の最大値が最も小さくなった。

上記の結果を踏まえて、本発明者らは、上記の補剛ビード２０に加えて、別の補剛ビードを設けることを検討した。具体的には、図５に示すように、上述の解析モデル１０ａに対してさらに、溶接ビード１６から離れた位置に一対の補剛ビード２２を形成した解析モデル１０ｂを作成し、上述の解析と同様の条件で解析を行った。

なお、解析モデル１０ｂにおいて、各補剛ビード２０の中心位置Ｐ_１（図３参照）は、補剛ビード２０のみが存在する場合に、境界部１８ａ，１８ｂの近傍の応力集中部に生じる最大主応力の最大値が最も小さくなる条件である、前端部１４ｃ，１４ｄ（位置Ｐ_０：図３参照）から後方に７ｍｍ離れた位置とした。各補剛ビード２２は、補剛ビード２０の延伸方向（前後方向）に対して直交する方向（左右方向）に、かつ補剛ビード２０から接合部材１４の外側に向かって延びるように形成した。各補剛ビード２２の形状は直方体とし、幅Ｗ２は、５．０ｍｍに設定し、高さは２．０ｍｍに設定した。本解析では、前後方向における補剛ビード２２の中心位置Ｐ_２および左右方向における補剛ビード２２の長さＬ２が異なる複数の解析モデル１０ｂを作成して、境界部１８ａ，１８ｂの近傍の応力集中部に生じる最大主応力を求めた。長さＬ２は、５．０ｍｍ、１０．０ｍｍ、および１５．０ｍｍに設定した。

図６に解析結果を示す。なお、図６は、補剛ビード２２の中心位置Ｐ_２と境界部１８ａ，１８ｂの近傍の応力集中部に生じる最大主応力の最大値との関係を示す図である。なお、図６において、補剛ビード２２の中心位置Ｐ_２は、接合部材１４（図５参照）の前端部１４ｃ，１４ｄの位置Ｐ_０からの前後方向における距離で示す。位置Ｐ_２が正の値で示されている場合には、位置Ｐ_２が位置Ｐ_０よりも前方の位置であることを意味し、位置Ｐ_２が負の値で示されている場合には、位置Ｐ_２が位置Ｐ_０よりも後方の位置であることを意味する。また、図６においては、上述の解析モデル１０ａを用いた解析における最大主応力の最大値の最小値（７６９ＭＰａ）を点線で示している。

図６に示した解析結果から、補剛ビード２０に加えて、溶接ビード１６から離れた位置に補剛ビード２２を設けることによって、境界部１８ａ，１８ｂの近傍の応力集中部に生じる最大主応力の最大値を、解析モデル１０ａにおける最大主応力の最大値の最小値よりもさらに小さくすることが可能になることが分かった。これは、補剛ビード２０に加えて補剛ビード２２を適切な位置に形成することによって、補剛ビード２０による剛性の向上効果をさらに高めることができたからだと考えられる。

なお、本解析では、補剛ビード２２の長さＬ２が長いほど、応力集中部に生じる最大主応力の最大値が小さくなった。このことから、補剛ビード２２の長さＬ２を長くすることによって、応力集中部の剛性を高くすることができ、応力集中部に生じる最大主応力を小さくできることが分かった。

一方で、本解析では、補剛ビード２２の長さＬ２が長くなるほど、応力集中部に生じる最大主応力の最大値が最小値を示すときの補剛ビード２２の中心位置Ｐ_２が後方側に移動した。これは、寸法の大きい補剛ビード２２を応力集中部の近くに形成すると、応力集中部の周辺の剛性が高くなる一方で、応力集中部の剛性が、その周辺の剛性に比べて相対的に低くなるからだと考えられる。言い換えると、寸法の大きい補剛ビード２２を応力集中部に近付け過ぎると、補剛ビード２２を形成することによる応力集中部の変形抑制効果が小さくなるからだと考えられる。

以上のことから、寸法が大きい補剛ビード２２を形成する場合には、補剛ビード２２を応力集中部から若干遠ざけることが好ましいことが分かる。例えば、溶接ビード１６の前端部よりも後方において、左右方向に延びる補剛ビード２２を複数形成する場合には、後方側に位置する補剛ビード２２ほど、寸法（例えば、長さ）を大きくすることが好ましいと考えられる。

本発明者らは、上述の解析結果から、補剛ビード２２の長さＬ２と、応力集中部の最大主応力の最大値が最小値を示すときの補剛ビード２２の中心位置Ｐ_２との関係を整理した。その結果、下記の（１）式が得られた。
Ｐ＝−０．０４Ｌ２^２＋０．２Ｌ２−５・・・（１）
なお、上記式において、Ｐは、境界部１８ａ，１８ｂの近傍の応力集中部の最大主応力の最大値が最小値を示すときの補剛ビード２２の中心位置を表し、Ｌ２は、補剛ビード２２の長さ（ｍｍ）を表す。なお、補剛ビード２２の中心位置は、接合部材１４（図５参照）の前端部１４ｃ，１４ｄの位置Ｐ_０からの前後方向における距離（ｍｍ）で示す。また、上記の（１）式において、中心位置Ｐが正の値で示される場合には、中心位置Ｐが位置Ｐ_０よりも前方の位置であることを意味し、中心位置Ｐが負の値で示される場合には、中心位置Ｐが位置Ｐ_０よりも後方の位置であることを意味する。

本発明は、上記の知見に基づいてなされたものである。

（本発明の実施形態の説明）
以下、本発明の実施形態に係る溶接構造部材について図面を用いて説明する。図７は、本発明の一実施形態に係る溶接構造部材を示す斜視図である。

図７に示すように、溶接構造部材３１は、第１方向Ｄ１に延びるベース部材３２と、第２方向Ｄ２に延びる接合部材３４と、ベース部材３２と接合部材３４とを接合する溶接ビード３６と、第１補剛ビード３８と、第２補剛ビード３９とを備えている。第１補剛ビード３８および第２補剛ビード３９は、溶接ビード３６から離隔して形成されている。

溶接ビード３６、第１補剛ビード３８および第２補剛ビード３９はそれぞれ、例えば、アーク溶接によって形成される。なお、溶接ビード３６、第１補剛ビード３８および第２補剛ビード３９の材料としては、公知の種々の溶接材料を用いることができる。

なお、図７に示した例では、第２方向Ｄ２が第１方向Ｄ１に対して直交しているが、第２方向Ｄ２が第１方向Ｄ１に対して傾斜していてもよい。すなわち、本実施形態では、接合部材３４は、ベース部材３２に対して直交するようにベース部材３２に溶接されているが、接合部材３４が、ベース部材３２に対して傾斜するようにベース部材３２に溶接されてもよい。なお、以下においては、第１方向Ｄ１を左右方向とし、第２方向Ｄ２を上下方向とする。

図８は、ベース部材３２および接合部材３４を示す正面図である。なお、図８においては、溶接ビード３６、第１補剛ビード３８および第２補剛ビード３９の図示は省略している。図７および図８に示すように、ベース部材３２は、第１板状部４２を含む。第１板状部４２は、平面４２ａを有する。なお、本実施形態では、第１板状部４２のみによってベース部材３２が構成されているが、ベース部材が、第１板状部４２に加えて他の形状を有する部分（例えば、柱状部または他の板状部等）を備えていてもよい。例えば、ベース部材３２が、図１に示したベース部材１２と同様の形状を有していてもよい。

図８に示すように、接合部材３４は、第２板状部４４を含む。第２板状部４４は、ベース部材３２の平面４２ａに突き当てられた突き当て面４４ａ、並びに突き当て面４４ａから平面４２ａに交差する方向（本実施形態では、第２方向Ｄ２）に延びる第１面４４ｂおよび第２面４４ｃを有する。第１面４４ｂおよび第２面４４ｃは、互いに平行に設けられる。なお、本実施形態では、第２板状部４４のみによって接合部材３４が構成されているが、接合部材が、第２板状部４４に加えて他の形状を有する部分（例えば、柱状部または他の板状部等）を備えていてもよい。例えば、接合部材が、図１に示した接合部材１４と同様の形状を有していてもよい。

ベース部材３２および接合部材３４の材料としては、例えば、鋼等の種々の金属材料を用いることができる。具体的には、例えば、ベース部材３２および接合部材３４の材料として、引張強度が２７０ＭＰａ以上の鋼板を用いることができる。特に、溶接構造部材３１の強度を十分に確保するためには、例えば、ベース部材３２および接合部材３４の材料として高強度鋼板（例えば、引張強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板）が用いられる。溶接構造部材３１の強度をより向上させるためには、ベース部材３２および接合部材３４として用いられる鋼板の引張強度は、７８０ＭＰａ以上であることが好ましく、９８０ＭＰａ以上であることがより好ましく、１１８０ＭＰａ以上であることがさらに好ましい。また、ベース部材３２および接合部材３４としては、さらに高強度の鋼板（例えば、引張強度が１５００ＭＰａ以上の鋼板）を用いることもできる。本実施形態では、ベース部材３２および接合部材３４として薄板が用いられる。本実施形態では、ベース部材３２の第１板状部４２の厚みおよび接合部材３４の第２板状部４４の厚みはそれぞれ、例えば４．５ｍｍ以下であり、自動車の足回り部材として使用される鋼板の厚みと同程度である。本実施形態では、第１板状部４２および第２板状部４４の厚みはそれぞれ、例えば、０．８ｍｍ〜４．５ｍｍの範囲に設定される。

図９は、ベース部材３２、接合部材３４（第２板状部４４）の突き当て面４４ａ、溶接ビード３６、第１補剛ビード３８および第２補剛ビード３９を、ベース部材３２の平面４２ａ（図８参照）に対して直交する方向（本実施形態では、第２方向Ｄ２）に投影した図である。なお、本実施形態では、図９に示すように、溶接ビード３６の延伸方向における突き当て面４４ａの端部４６ａ，４６ｂごとに、前後方向を規定する。具体的には、突き当て面４４ａの端部４６ａを基準とした場合、該端部４６ａから溶接ビード３６の延伸方向に見て突き当て面４４ａが存在する方向を後方、その逆方向を前方とする。また、突き当て面４４ａの端部４６ｂを基準とした場合、端部４６ｂから溶接ビード３６の延伸方向に見て突き当て面４４ａが存在する方向を後方、その逆方向を前方とする。

図７および図９に示すように、溶接ビード３６は、ベース部材３２の平面４２ａと接合部材３４とを接合する。本実施形態では、ベース部材３２と接合部材３４とは、溶接ビード３６によって隅肉溶接されている。溶接ビード３６は、突き当て面４４ａの第１面４４ｂ側の縁部に沿って前後方向に延びるように形成されている。

突き当て面４４ａの端部４６ａを基準として、溶接ビード３６は、端部４６ａよりも前方に突出している。同様に、突き当て面４４ａの端部４６ｂを基準として、溶接ビード３６は、端部４６ｂよりも前方に突出している。本実施形態では、溶接ビード３６のうち、端部４６ａを基準として、端部４６ａよりも前方に突出する部分の長さＬＢは、例えば、２０ｍｍ以下である。溶接ビード３６のうち、端部４６ｂを基準として、端部４６ｂよりも前方に突出する部分の長さについても同様である。

なお、本実施形態では、１本の溶接ビード３６によってベース部材３２と接合部材３４とが接合されているが、複数本のビードによってベース部材３２と接合部材３４とが接合されていてもよい。

第２板状部４４の厚み方向（左右方向）において、第１補剛ビード３８は、溶接ビード３６から見て、第２板状部４４とは反対側に設けられる。また、第１補剛ビード３８は、ベース部材３２の平面４２ａ上において、溶接ビード３６に対して略平行に延びるように形成される。言い換えると、第１補剛ビード３８は、溶接ビード３６に沿って直線状に延びるように形成される。本実施形態では、溶接ビード３６と第１補剛ビード３８とが接触しないように、左右方向における第１補剛ビード３８と突き当て面４４ａとの距離ｄ（図９参照）は、例えば５．３ｍｍ以上に設定されることが好ましい。

第１補剛ビード３８は、第２板状部４４の前端部と溶接ビード３６との境界部の近傍の応力集中部の剛性を向上できる位置に形成される。なお、境界部の近傍とは、例えば、平面視において、境界部を中心とする半径１０ｍｍ以内の領域を意味する。本実施形態では、例えば、左右方向において溶接ビード３６から見て第２板状部４４とは反対側の領域のうち、応力集中部の剛性を向上できる位置をＦＥＭ解析によって求め、求めた位置に、溶接ビード３６に対して略平行に延びるように第１補剛ビード３８を形成する。

なお、第１補剛ビード３８によって応力集中部の剛性が向上することは、例えば、以下のようにして確認することができる。まず、第１補剛ビード３８を有する溶接構造部材の解析モデル（以下、第１補剛モデルと記載する。）と、第１補剛モデルから第１補剛ビード３８を取り除いた解析モデル（以下、基準モデルと記載する。）とを作成する。作成した２つの解析モデルにおいて、第２板状部４４を第１板状部４２の平面４２ａに直交する方向に引っ張り、上記応力集中部に生じる最大主応力の最大値を求める。そして、第１補剛モデルの応力集中部の最大主応力の最大値が、基準モデルの応力集中部の最大主応力の最大値よりも小さくなっていれば、第１補剛ビード３８によって応力集中部の剛性が向上したと判断する。

なお、第１補剛ビード３８による剛性の向上効果が確実に得られるように、左右方向における第１補剛ビード３８と突き当て面４４ａとの距離ｄ（図９参照）は、２０ｍｍ以下に設定されることが好ましく、１６ｍｍ以下に設定されることがより好ましい。

第２補剛ビード３９は、溶接ビード３６から離れた位置において、ベース部材３２の平面４２ａ上に設けられる。第２補剛ビード３９は、第１補剛ビード３８による剛性の向上効果を高めることができる位置に形成される。本実施形態では、例えば、溶接ビード３６から離れた領域のうち、第１補剛ビード３８による剛性の向上効果を高めることができる位置をＦＥＭ解析によって求め、求めた位置に、第２補剛ビード３９を形成する。

なお、第２補剛ビード３９を形成することによって、第１補剛ビード３８による剛性の向上効果が高まることは、例えば、以下のようにして確認することができる。まず、上述の第１補剛モデルに対して第２補剛ビード３９を形成した解析モデル（以下、第２補剛モデルと記載する。）を作成する。第１補剛モデルおよび第２補剛モデルにおいて、第２板状部４４を第１板状部４２の平面４２ａに直交する方向に引っ張り、上記応力集中部に生じる最大主応力の最大値を求める。そして、第２補剛モデルの応力集中部の最大主応力の最大値が、第１補剛モデルの応力集中部の最大主応力の最大値よりも小さくなっていれば、剛性の向上効果が高まったと判断する。

本実施形態では、第２補剛ビード３９は、第２板状部４４の厚み方向（左右方向）において、第１補剛ビード３８から見て、第２板状部４４とは反対側に設けられる。また、本実施形態では、第２補剛ビード３９は、ベース部材３２の平面４２ａに直交する方向から見て、第１補剛ビード３８の延伸方向（前後方向）に対して直交する方向（左右方向）に延びるように設けられている。なお、本実施形態では、前後方向における第１補剛ビード３８の長さが、左右方向における第２補剛ビード３９の長さよりも長いが、第１補剛ビード３８の長さが第２補剛ビード３９の長さよりも短くてもよく、第１補剛ビード３８の長さと第２補剛ビード３９の長さとが等しくてもよい。

なお、第１補剛ビード３８の長さおよび第２補剛ビード３９の長さはそれぞれ、例えば、１０．０ｍｍ以上に設定され、１４．０ｍｍ以上に設定されることが好ましい。また、第１補剛ビード３８の長さおよび第２補剛ビード３９の長さはそれぞれ、５０．０ｍｍ以下に設定されることが好ましい。第１補剛ビード３８の幅および第２補剛ビード３９の幅はそれぞれ、例えば、５．０〜９．０ｍｍに設定される。

以上のように、本実施形態に係る溶接構造部材３１では、第１補剛ビード３８を形成することによって、第２板状部４４の前端部と溶接ビード３６との境界部の近傍の応力集中部の剛性を向上させることができる。さらに、第２補剛ビード３９を形成することによって、第１補剛ビード３８による剛性の向上効果を高めることができる。これにより、上記応力集中部において大きな応力が発生することを抑制することができ、溶接構造部材３１の疲労強度を向上させることができる。

また、上述の実施形態では、第２補剛ビード３９の前後方向における中心が端部４６ａよりも後方に位置している。しかしながら、溶接構造部材の構成によっては、第２補剛ビードの前後方向における中心が、突き当て面の端部よりも前方に位置していてもよい。なお、第１補剛ビード３８および第２補剛ビード３９の形成位置は、上述したように、解析モデルを用いて決定することができる。

上述の実施形態では、１つの第１補剛ビード３８および１つの第２補剛ビード３９を有する溶接構造部材３１について説明したが、補剛ビードの数は、上述の例に限定されない。例えば、図１０に示す溶接構造部材３１Ａのように、突き当て面４４ａの端部４６ｂの近傍にも同様に、第１補剛ビード３８および第２補剛ビード３９を形成してもよい。

上述の実施形態では、接合部材３４が、平面視において直線状に延びる第２板状部４４を有する場合について説明したが、第２板状部４４の形状は上述の例に限定されない。

図１１は、本発明のその他の実施形態に係る溶接構造部材３１Ｂのベース部材３２、接合部材３４（第２板状部４４）の突き当て面４４ａ、溶接ビード３６、一対の第１補剛ビード３８および一対の第２補剛ビード３９を、ベース部材３２の平面４２ａ（図７参照）に対して直交する方向に投影した図である。なお、図１１に示す溶接構造部材３１Ｂが上述の溶接構造部材３１と異なるのは、接合部材３４の第２板状部４４が平面視においてＶ字形状を有している点、溶接ビード３６が平面視においてＶ字状に延びるように形成されている点、一対の第１補剛ビード３８を有している点、および一対の第２補剛ビード３９を有している点である。

本実施形態では、上記のように、第２板状部４４が平面視においてＶ字形状を有しているので、突き当て面４４ａも、平面視においてＶ字形状を有している。溶接ビード３６は、接合部材３４（第２板状部４４）の外面に沿ってＶ字状に延びるように設けられている。

本実施形態では、図１１に示すように、上記突き当て面４４ａの一対の端部（溶接ビード３６の延伸方向における端部）ごとに、上述の実施形態と同様に前後方向を定義して、上記一対の端部に対してそれぞれ第１補剛ビード３８および第２補剛ビード３９が形成される。これにより、第２板状部４４の両端部と溶接ビード３６との境界部近傍において、大きな応力が発生することを抑制することができる。その結果、溶接構造部材３１Ｂの疲労強度を向上させることができる。

上述の実施形態では、第１補剛ビード３８に接続されるように第２補剛ビード３９を形成する場合について説明したが、第１補剛ビード３８および第２補剛ビード３９の位置関係は、上述の例に限定されない。

例えば、図１２に示す溶接構造部材３１Ｃのように、第２補剛ビード３９を第１補剛ビード３８から離れた位置に形成してもよい。また、例えば、図１３に示す溶接構造部材３１Ｄのように、左右方向において第２板状部４４から見て溶接ビード３６とは反対側に第２補剛ビード３９を形成してもよい。また、例えば、図１４および図１５に示す溶接構造部材３１Ｅ，３１Ｆのように、第２板状部４４の両側に第２補剛ビード３９を形成してもよい。

図９に示した溶接構造部材３１では、第１補剛ビード３８に対して１本の第２補剛ビード３９が設けられているが、図１６に示す溶接構造部材３１Ｇのように、第１補剛ビード３８に対して、第１補剛ビード３８の延伸方向に直交する方向に延びる複数の第２補剛ビード３９が設けられてもよい。

なお、上述したように、寸法の大きい補剛ビードを応力集中部の近くに形成すると、応力集中部の周辺の剛性が高くなる一方で、応力集中部の剛性が、その周辺の剛性に比べて相対的に低くなるおそれがある。このため、溶接ビード３６の前端よりも後方に複数の第２補剛ビード３９を形成する場合には、本実施形態に係る溶接構造部材３１Ｇのように、後方側に位置する第２補剛ビード３９ほど長さが長くなるように、複数の第２補剛ビード３９を形成することが好ましい。ただし、溶接構造部材の構成によっては、図１７に示す溶接構造部材３１Ｈのように、前方側の第２補剛ビード３９の長さを、後方側の第２補剛ビード３９よりも長くしてもよい。

なお、図１６および図１７に示すように複数の第２補剛ビード３９を形成する場合も、図１２の溶接構造部材３１Ｃと同様に、第１補剛ビード３８から離れた位置に第２補剛ビード３９を形成してもよく、図１４の溶接構造部材３１Ｅと同様に、第２板状部４４の両側に第２補剛ビード３９を形成してもよい。また、図１３の溶接構造部材３１Ｄと同様に、左右方向において第２板状部４４から見て第１補剛ビード３８とは反対側に複数の第２補剛ビード３９を形成してもよい。

上述の実施形態では、第１補剛ビード３８の延伸方向に対して直交する方向に延びるように第２補剛ビード３９が形成されているが、第２補剛ビード３９の延伸方向は上述の例に限定されない。例えば、図１８に示す溶接構造部材３１Ｉのように、第１補剛ビード３８から見て溶接ビード３６とは反対側において、第１補剛ビード３８に対して略平行に延びるように第２補剛ビード３９が形成されてもよい。

また、例えば、図１９に示す溶接構造部材３１Ｊのように、第２板状部４４から見て溶接ビード３６とは反対側において、突き当て面４４ａの第２面４４ｃ（図８参照）側の縁部に対して略平行に延びるように第２補剛ビード３９が形成されてもよい。なお、図１９に示した例では、第１補剛ビード３８の長さが第２補剛ビード３９の長さよりも長いが、図２０に示す溶接構造部材３１Ｋのように、第１補剛ビード３８の長さが第２補剛ビード３９の長さよりも短くてもよく、図２１に示す溶接構造部材３１Ｌのように第１補剛ビード３８の長さと第２補剛ビード３９の長さとが略等しくてもよい。なお、本明細書において、第１補剛ビードの長さと第２補剛ビードの長さとが略等しいとは、第１補剛ビードの設計上の長さ（狙いの寸法）と第２補剛ビードの設計上の長さ（狙いの寸法）とが等しいことを意味する。第１補剛ビードの設計上の長さと第２補剛ビードの設計上の長さとが等しい場合、第１補剛ビードの長さおよび第２補剛ビードの長さの比は、例えば、０．９〜１．１の範囲内であることが好ましい。

なお、詳細な説明は省略するが、前後方向において、第１補剛ビード３８の中心が第２補剛ビード３９の中心よりも前方に位置してもよいし、後方に位置してもよい。また、例えば、図２２に示す溶接構造部材３１Ｍのように、ベース部材３２の平面４２ａ（図８参照）に直交する方向から見て、第１補剛ビード３８と第２補剛ビード３９とが、突き当て面４４ａの第２面４４ｃ（図８参照）側の縁部を対称軸として線対称となる位置に設けられてもよい。なお、本明細書において、第１補剛ビードと第２補剛ビードとが、突き当て面の第２面側の縁部を対称軸として線対称となる位置に設けられるとは、平面視において、上記第２面側の縁部を中心として第２補剛ビード３９を反転させた場合に、反転後の第２補剛ビード３９の少なくとも一部と第１補剛ビード３８の形成領域とが重なることを意味する。

また、上述の実施形態では、第１補剛ビード３８の前端が突き当て面４４ａの端部よりも前方に位置し、第１補剛ビード３８の後端が突き当て面４４ａの端部よりも後方に位置しているが、第１補剛ビードの前端が、突き当て面の端部よりも後方に位置していてもよく、第１補剛ビードの後端が、突き当て面の端部よりも前方に位置していてもよい。

また、上述の実施形態では、第２補剛ビード３９の少なくとも一部が、第１補剛ビード３８の前端よりも後方で第１補剛ビード３８の後端よりも前方に設けられているが、第１補剛ビード３８による剛性向上効果を高めることができるのであれば、第２補剛ビード３９の後端が第１補剛ビード３８の前端よりも前方に位置していてもよく、第２補剛ビード３９の前端が第１補剛ビード３８の後端よりも後方に位置していてもよい。

なお、詳細な説明は省略するが、上述の解析モデル１０と同様に、接合部材が平面視においてＵ字形状を有している場合にも、上記突き当て面の端部ごとに前後方向を定義して、本発明を適用できる。

本発明によれば、優れた疲労強度を有する溶接構造部材が得られる。したがって、本発明に係る溶接構造部材は、たとえば、車体の構成部材として好適に用いることができる。

１０，１０ａ，１０ｂ解析モデル
１２，３２ベース部材
１４，３４接合部材
１６，３６溶接ビード
２０，２２補剛ビード
３８第１補剛ビード
３９第２補剛ビード
３１，３１Ａ〜３１Ｍ溶接構造部材

Claims

平面を有する第１板状部を含み、かつ金属からなるベース部材と、
前記ベース部材の前記平面に突き当てられた突き当て面、並びに前記突き当て面から前記平面に交差する方向に延びる互いに平行な第１面および第２面を有する第２板状部を含み、かつ金属からなる接合部材と、
前記突き当て面の前記第１面側の縁部に沿って延び、かつ前記ベース部材の前記平面と前記接合部材とを接合する溶接ビードと、
前記溶接ビードから見て前記第２板状部とは反対側において前記ベース部材の前記平面上に形成され、かつ前記溶接ビードに対して略平行に延びる第１補剛ビードと、
前記溶接ビードから離れた位置において前記ベース部材の前記平面上に設けられる第２補剛ビードとを備える、溶接構造部材。
前記溶接ビードの延伸方向における前記突き当て面の端部を基準として、該端部から前記延伸方向に見て前記突き当て面が存在する方向を後方、その逆方向を前方とした場合に、
前記溶接ビードは、前記突き当て面の前記端部よりも前方に突出しており、
前記第１補剛ビードは、前記第２板状部の前端部と前記溶接ビードとの境界部の近傍の剛性を向上させ、
前記第２補剛ビードは、前記第１補剛ビードによる剛性の向上効果を高める、請求項１に記載の溶接構造部材。
前記ベース部材の前記平面に直交する方向から見て、前記第２補剛ビードは、前記第１補剛ビードの延伸方向に対して直交する方向に延びる、請求項１または２に記載の溶接構造部材。
前記溶接ビードの延伸方向における前記突き当て面の端部を基準として、該端部から前記延伸方向に見て前記突き当て面が存在する方向を後方、その逆方向を前方とした場合に、
前記溶接ビードは、前記突き当て面の前記端部よりも前方に突出しており、
前記溶接ビードの前端よりも後方に、前記直交する方向に延びる複数の前記第２補剛ビードが設けられ、
前記直交する方向における前記第２補剛ビードの長さは、前記後方側に位置する前記第２補剛ビードほど長い、請求項３に記載の溶接構造部材。
前記第２補剛ビードは、前記第２板状部から見て前記溶接ビードとは反対側において、前記突き当て面の前記第２面側の縁部に対して略平行に延びる、請求項１または２に記載の溶接構造部材。
前記第１補剛ビードの長さと前記第２補剛ビードの長さとは略等しい、請求項５に記載の溶接構造部材。
前記ベース部材の前記平面に直交する方向から見て、前記第１補剛ビードと前記第２補剛ビードとは、前記突き当て面の前記第２面側の縁部を対称軸として線対称となる位置に設けられている、請求項５または６に記載の溶接構造部材。