JP4560288B2

JP4560288B2 - 溶接方法

Info

Publication number: JP4560288B2
Application number: JP2003406159A
Authority: JP
Inventors: 久直丸山; 陽一小山
Original assignee: Press Kogyo Co Ltd
Current assignee: Press Kogyo Co Ltd
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2023-12-04
Also published as: JP2005161378A

Description

本発明は、筒状部材同士の溶接方法に関するものである。

従来から様々な製造現場において、金属製の部材同士を接合する手段として筒状部材同士の突合わせ溶接が用いられている。例えば、車両の車軸ケースの製造工程においても、筒状部材同士の突合わせ溶接が行われている。

車軸ケースとは、トラック等の車両の駆動車軸及びディファレンシャルギヤ等を収容するためのものであり、図５に示すように、車両の車幅方向に延出し、上下に重ね合わせて接合された上部材３０と下部材３１とで構成され長手方向両端部がほぼ円筒形状に形成された本体３８と、その本体３８の長手方向両端部に接合されるほぼ円筒形状のスピンドル３３とを備える。上下部材３０，３１は、その長手方向中央部が上方又は下方に湾曲しており、本体３８の長手方向中央部には略円形の穴（図示せず）が形成される。本体３８には、その穴を覆うように半球形状のカバー部材３２が取り付けられる。このような車軸ケース３４は、例えば特許文献１等にも記載されている。

このような車軸ケース３４において、本体３８の長手方向両端部とスピンドル３３とは溶接接合される。つまり、図６に示すように、本体３８の端部とスピンドル３３の端部とを互いに突き合わせて溶接接合する。なお、図６は本体３８とスピンドル３３との上部接合部の断面を示している。

ところで、車軸ケース３４には車両の加減速や方向転換、及び走行路面の凹凸等によって様々な負荷やモーメントが作用する。特に、車軸ケース３４を上又は下方向へと曲げるようなモーメントが作用することが多い。例えば、スピンドル３３の外周部には車輪が設けられるため、路面から上方向への反力をうけた場合、車軸ケース３４の長手方向ほぼ中央部を支点として、長手方向両端部を上方へと持ち上げるようなモーメントＭ１（図５参照）が作用する。その結果、本体３８とスピンドル３３との接合部に応力が発生する。

このため、本体３８とスピンドル３３との接合部には比較的高い強度が要求される。そこで従来から、本体３８とスピンドル３３との接合部の溶接溶け込み率が、本体３８及びスピンドル３３の板厚に対して１００％となるようにしている。

板材の突き合わせ溶接において、溶接溶け込み率を１００％とする場合、板材の表裏両側から溶接するのが一般的であるが、スピンドル３３はその外側端部が縮径された形状であるため、溶接ロッド等を内部に挿入しずらく、裏から溶接することが困難である。そこで、表側からの溶接だけで１００％の溶け込み率を確保すべく大きな入熱を与えると、接合部の裏側に溶融金属が滴れ落ち、車軸ケース３４内に組み込まれる駆動車軸等と干渉してしまう虞がある。また、極端な場合では、接合部に穴が開いてしまい油漏れや接合部の強度低下に繋がる。

そこで、図６に示すように、本体３８とスピンドル３３との接合部の内側に円筒形状の当金３９を挿入するようにしている。こうすれば、溶接の溶け込み率を１００％としても、溶融金属が車軸ケース３４内部に滴り落ちることを防止できる。なお、当金３９は、本体３８又はスピンドル３３の内側に一体に成形されることもある。

特開平０８−０６７１０８号公報

しかしながら、このような従来の車軸ケースでは、溶接溶け込み率を１００％としても、本体３８とスピンドル３３との接合部に亀裂等が発生することがあり、更なる強度向上が望まれていた。

例えば、本体３８と当金３９、及びスピンドル３３と当金３９との接触面における未溶着部分４０が、予め形成された亀裂として作用してしまい、接合部の内表面側の溶接ルート部４１に応力が集中し、そこから亀裂が発生してしまう場合がある。

また、本体３８とスピンドル３３との接合部には、溶接後の溶着金属の収縮により残留応力が発生する。このとき、接合部の外表面側には強度上有利となる長手方向（図中左右方向）の圧縮応力が残留するが、接合部の内表面側には強度上不利となる長手方向の引張応力が残留してしまう。

つまり、本体３８とスピンドル３３との接合部の内表面側は、もともと引張応力が残留しているうえに、車軸ケース３４に外力が加わったときに応力が集中するため、亀裂等が発生する可能性が高いのである。

本体３８とスピンドル３３との接合部の強度を向上させるためには、本体３８及びスピンドル３３の板厚を増加して、溶接接合部の有効高さを増加させることが有効であるが、この場合、車軸ケース３４の全体重量及びコストが増加してしまう。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、車軸ケースにおける本体とスピンドルのような筒状部材同士の溶接接合部の強度向上を図った溶接方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、筒状の当金を突合わせ部の内側に挿入させて、筒状部材同士の突合わせ溶接方法であって、上記筒状部材の少なくとも一方の端部を折り曲げて、上記当金と接触する接触部と、その接触部に連続して形成され、接触部に対して上記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て形成され、上記当金に対して所定間隔を隔てて配置される段差部とを形成し、
上記接触部と、上記傾斜部の少なくとも一部とに溶接ビードが盛られるように上記筒状部材同士を突合わせ溶接するようにしたものである。

本発明によれば、筒状部材の板厚を増加させることなく、筒状部材同士の接合部の強度を向上させることができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態は、本発明の溶接方法を、車両の車軸ケースにおける本体とスピンドルとの接合部に適用した一例を示すものであり、図１は本体とスピンドルとの溶接接合部の上部断面図である。

本実施形態の車軸ケースの概略構成は図５に示したものと同様である。即ち、本実施形態の車軸ケースは、上下に重ね合わせて接合された上部材３０と下部材３１とで構成され長手方向両端部がほぼ円筒形状に形成された本体（筒状部材）３８と、その本体３８の長手方向両端部に接合されるほぼ円筒形状のスピンドル（筒状部材）３３とを備える。上下部材３０，３１は、その長手方向中央部が上方又は下方に湾曲しており、本体３８の長手方向中央部には略円形の穴（図示せず）が形成される。本体３８には、その穴を覆うように半球形状のカバー部材３２が取り付けられる。

図１に示すように、本体３８及びスピンドル３３の端部は互いに突き合わされ、その突き合わせ部の内側（内表面）に円筒形状の当金３９が挿入・配置される。そして、本体３８及びスピンドル３３の外表面側（図中上側）から突合わせ溶接を行って互いに接合する。この際、溶接の溶け込み率は、本体３８及びスピンドル３３の板厚ｔに対して１００％とされる。

本実施形態における、本体３８とスピンドル３３との溶接接合部の特徴は、本体３８の接合端部（スピンドル３３との突合わせ端部）が縮径されている点にある。具体的には、本体３８の端部には、スピンドル３３の端部とほぼ同じ内径を有し、本体３８とスピンドル３３との突合わせ部の内側に挿入された当金３９の外表面と接触する接触部１と、その接触部１に連続して形成され、接触部１に対して当金３９から離れる方向に傾斜した傾斜部３と、その傾斜部３に連続して形成され、当金３９の径方向外側に所定間隔ｈを隔てて配置される段差部４とが形成される。このような段差状の端部を有する本体３８は、上部材３０及び下部材３１をプレス成形する際に、各部材３０，３１の端部を段差状に成形することで比較的容易に製造できる。

更に、本体３８とスピンドル３３との溶接部構造は、本体３８の接触部１の外表面と、傾斜部３の外表面の少なくとも一部とを覆う溶接ビード５を備える。つまり、本体３８とスピンドル３３とを突合わせると共に、その突合わせ部の内側に円筒形状の当金３９を挿入し、本体３８の接触部１の外表面と、傾斜部３の外表面の少なくとも一部とに溶接ビード５が盛られるように本体３８とスピンドル３３とを突合わせ溶接することでこの溶接部構造が形成される。

本実施形態では、溶接ビード５は傾斜部３の外表面全域に渡って盛られる。従って、本体３８とスピンドル３３との接合部６の有効高さＨは円筒形状の当金３９の外表面から段差部４の外表面までの距離とほぼ等しくなる。上述したように、段差部４は、当金３９の外表面に対して距離ｈだけ間隔を隔てて配置されているので、接合部６の有効高さＨは、当然、本体３８の板厚ｔよりもほぼ距離ｈだけ大きくなる（Ｈ≒ｔ＋ｈ）。つまり、この溶接方法は、本体３８の端部を段差状に形成して、その段差部をスピンドル３３及び当金３９に対して溶接することで、本体３８の板厚ｔを厚くせずに、接合部６の有効高さＨの増大を図っている。言い換えれば、本実施形態の溶接方法は、本体３８の端部を段差状にすることで溶接ビード５の盛りしろを大きくしている（図６に示したような従来の溶接部構造では、溶接ビード５の盛りしろは本体３８の板厚とほぼ等しい）。

このように、本実施形態の溶接方法では、本体３８とスピンドル３３との接合部６の有効高さＨが本体３８の板厚ｔよりも大きくなるため、実質的に本体３８の板厚ｔを厚くした場合と同様に接合部６の強度が向上する。つまり、本体３８とスピンドル３３との接合部６の断面積が従来よりも大きくなるので、車軸ケース３４に作用する様々な負荷やモーメントにより接合部６に発生する応力が低減する。従って、応力集中による亀裂の発生が防止される。

なお、本実施形態では溶接ビード５を傾斜部３の外表面全域に渡って盛るとして説明したが、本発明はこの点において限定されず、溶接ビード５を傾斜部３の外表面の少なくとも一部を覆うように盛れば、従来の溶接方法と比較して応力低減効果を得ることができる。

また、本実施形態の溶接方法によれば、本体３８の板厚ｔを厚くしたり、補強部材を別途設けたりすることなく接合部６の強度を高めることができるため、車軸ケース３４の全体重量及び部品点数が増加することはない。また、製造コストが大幅に増加することもない。

本発明者らは、本体３８の段差部の各寸法を所定の範囲内に設定することで、応力低減効果（つまり強度向上効果）をより効果的に得られることを確認した。以下、図１を用いて説明する。

まず、接触部１の当金３９との接触長さ（軸方向長さ）Ｌは、本体３８の板厚ｔの約３０〜６０％の範囲内が最適である。例えば、接触長さＬが短すぎると、図２に示すように、接触部１に対する溶接ビード５の溶け込みが大きくなりすぎてしまい、傾斜部３の内表面側まで溶接ビード５が溶け込んでしまう。その結果、図中Ｄで示すポイントに応力が集中してしまう可能性がある。また、図２に示すように、溶接ビード５が接触部１及び傾斜部３の全域に溶け込むと、段差部４が溶け落ちてしまう可能性もある。従って、溶接ビード５が接触部１の内表面全域まで溶け込まないように接触長さＬを設定することが好ましい。

逆に、接触長さＬが長すぎると、図３に示すように、溶接ビード５を傾斜部３まで盛り込むことができなくなってしまう。その結果、溶接接合部６の有効高さＨが本体３８の板厚ｔとほぼ等しくなり、上記のような応力低減効果が得られなくなってしまう。

次に、図１に示す段差部４と円筒形状の当金３９との間隔ｈは、本体３８の板厚ｔの約２０〜５０％の範囲内が最適である。例えば、間隔ｈが小さすぎると、溶接接合部６の有効高さＨが本体３８の板厚ｔと比べてあまり大きくならないため、応力低減効果は小さい。また、間隔ｈが大きすぎると、溶接ビード５を傾斜部３の外表面に盛ることが困難となる。

なお、上記実施形態では、円筒形状の当金３９を本体３８とスピンドル３３の接合部（突合わせ部）の内側に挿入して使用する例を説明したが、図４（ａ）に示すように、スピンドル３３の端部の径方向内側部分に、軸方向に突出した凸部３３ａを一体的に形成し、この凸部３３ａに当金３９の機能を持たせても、図１と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態では本体３８の端部に接触部１、傾斜部３及び段差部４を形成するとして説明したが、本発明はこの点において限定されない。例えば、図４（ｂ）に示すように、本体３８及びスピンドル３３の両方の端部に、それぞれ接触部１，２、傾斜部３，７及び段差部４，８を形成しても良い。あるいは、スピンドル３３の端部にのみ接触部２、傾斜部３及び段差部８を形成しても良い。これらの形態でも、図１に示した形態と同様の効果を得られることは勿論である。

また、本発明は、本体３８及び／又はスピンドル３３の端部を、必ずしも全周に渡って縮径する必要はない。つまり、「従来の技術」の欄で説明したように、車軸ケースに作用するモーメントは上下方向に作用することが多いので、本体３８及び／又はスピンドル３３の端部を少なくとも上下方向に圧縮して、上部及び下部にのみ接触部１，２、傾斜部３，７及び段差部４，８を形成しても良い。その場合、本体３８及び／又はスピンドル３３を金型に嵌めて上下方向に圧縮（プレス）して、左右方向寸法は変えずに上下方向寸法のみを短くしても良い。

更に、本体３８及び／又はスピンドル３３の端部を縮径して接触部１，２、傾斜部３，７及び段差部４，８を形成するとして説明したが、これとは逆に、本体３８及び／又はスピンドル３３の端部よりも所定距離内側の部分を拡径（拡管）して接触部１，２、傾斜部３，７及び段差部４，８を形成しても良いことは勿論である。

これまで、車軸ケース３４の本体３８とスピンドル３３との接合部に適用した例を示したが、本発明は様々な筒状部材の接合部に適用可能である。

例えば、本発明の溶接部構造及び方法は、図４（ｃ）に示すように、半浮動式車軸ケースの本体３８’とエンドフランジ３３’との接合部にも適用できる。この場合も、上述した車軸ケース３４の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、本発明の溶接方法は、図４（ｄ）に示すように、本体が左右方向に３分割された車軸ケースにおける、中央部本体３８’’と両端部本体３３’’（図では片方の端部本体のみ示される）との接合部にも適用できる。なお、図中３９は、中央部本体３８’’と端部本体３３’’との突合わせ部の内側に挿入された当金である。従来の３分割構造車軸ケースでは、接合部の強度を確保するために両端部本体３３’’を拡管する必要があるが、この部位に本発明の溶接方法を適用することにより、接合部の板厚が増加したのと同じ効果が得られるため拡管が不要となる。従って、成形性の劣る（強度の高い）材料の使用が可能となるだけでなく、各種ブラケット類の取付位置の自由度が向上する。

本発明の一実施形態に係る溶接部構造の断面図である。接触部の接触長さが短すぎる例を示す断面図である。接触部の接触長さが長すぎる例を示す断面図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の他の実施形態に係る溶接部構造の断面図である。車軸ケースの正面図である。従来の溶接部構造の断面図である。

符号の説明

１，２接触部
３，７傾斜部
４，８段差部
５溶接ビード
６溶接接合部
３０上部材
３１下部材
３２カバー部材
３３スピンドル
３４車軸ケース
３８本体
３９当金

Claims

筒状の当金を突合わせ部の内側に挿入させて、筒状部材同士の突合わせ溶接方法であって、
上記筒状部材の少なくとも一方の端部を折り曲げて、上記当金と接触する接触部と、その接触部に連続して形成され、接触部に対して上記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て形成され、上記当金に対して所定間隔を隔てて配置される段差部とを形成し、
上記接触部と、上記傾斜部の少なくとも一部とに溶接ビードが盛られるように上記筒状部材同士を突合わせ溶接することを特徴とする溶接方法。