JP5875077B2

JP5875077B2 - 溶接構造および作業機械

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Publication number: JP5875077B2
Application number: JP2012249570A
Authority: JP
Inventors: 剛恒吉
Original assignee: Caterpillar SARL
Current assignee: Caterpillar SARL
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2032-11-13
Also published as: KR20150080963A; JP2014097513A; WO2014077094A1; EP2921248A1; CN104768691B; EP2921248A4; US20160273189A1; US10047499B2; CN104768691A

Description

本発明は、断続溶接の構造に特徴を有する溶接構造、およびその溶接構造を用いた作業機械に関する。

一般的に、すみ肉溶接などにおいては、一連の溶接箇所を連続的に溶接することで高い溶接強度が得られる連続溶接と、加工費の削減と熱ひずみの軽減とを図るために一連の溶接箇所を間欠的に溶接する断続溶接とが、適宜選択して用いられる。

この断続溶接としては、材料の一側と他側とを並列（または並行）に断続溶接する並列溶接（または並行断続溶接）と、交互に千鳥状に断続溶接する千鳥溶接とが知られている（例えば、特許文献１〜４参照）。

実開昭６２−５０１９２号公報特開平１−１８０７８４号公報特開平２−４６９７９号公報特許第２５８３７１０号公報

従来は、並列溶接と千鳥溶接とが、どのような荷重に対して、より適しているか明らかでなく、このため、例えば図９に示されている油圧ショベルの機体構造物では、上部旋回体の機体フレーム１に対する梁部材２の下辺縁の断続溶接と、梁部材２の上辺縁に対するクーリングユニット取付板などの天板３の断続溶接とを、並列溶接の形式で溶接する並列溶接部４とすることが一般的であるが、本発明に係る発明者は、このような単一の断続溶接のみでは、梁部材２に作用する支配的な荷重の種類によっては適さない場合があることを発見した。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、母材に長尺部材を固着する一方の断続溶接と、長尺部材に板状部材を固着する他方の断続溶接との関係を、長尺部材に作用する支配的な荷重の種類に応じて適切に対応できるようにした溶接構造、およびその溶接構造を用いた作業機械を提供することを目的とする。

請求項１に記載された発明は、母材と、２つの長辺縁を有し母材に一方の長辺縁を一方の断続溶接により固着された長尺部材と、長尺部材の他方の長辺縁に他方の断続溶接により固着された板状部材とを具備した溶接構造において、長尺部材に対し板状部材をねじる荷重が支配的に作用する領域で一方の断続溶接と他方の断続溶接とを並列溶接の形式に溶接した並列溶接部と、長尺部材に対し板状部材から曲げ荷重が支配的に作用する領域で一方の断続溶接と他方の断続溶接とを千鳥溶接の形式に溶接した千鳥溶接部とを備えた溶接構造である。

請求項２に記載された発明は、請求項１記載の溶接構造における並列溶接部および千鳥溶接部を、１つの長尺部材に混在させたものである。

請求項３に記載された発明は、機体と、機体に搭載された作業装置および搭載機器とを具備した作業機械において、機体は、請求項１または２記載の溶接構造を有し、母材としての機体フレームと、機体フレーム上に溶接された長尺部材としての梁部材と、梁部材上に溶接された板状部材としての天板とを備え、天板は、梁部材から水平方向に離間された位置に取り付けられる搭載機器の取付部を有する作業機械である。

請求項１記載の発明によれば、母材に長尺部材の一方の長辺縁を一方の断続溶接により固着し、長尺部材の他方の長辺縁に板状部材を他方の断続溶接により固着するに際して、一方の断続溶接と他方の断続溶接とを並列溶接の形式に溶接した並列溶接部と、一方の断続溶接と他方の断続溶接とを千鳥溶接の形式に溶接した千鳥溶接部とを選択して、長尺部材に対し板状部材をねじる荷重が支配的に作用する領域では、並列溶接部を選択することにより、長尺部材に発生する応力を千鳥溶接部の場合より少なくすることができるとともに、長尺部材に対し板状部材から曲げ荷重が支配的に作用する領域では、千鳥溶接部を選択することにより、長尺部材に発生する応力を並列溶接部の場合より少なくすることができ、長尺部材に作用する支配的な荷重の種類に応じて断続溶接の形式を適切に対応させることができ、相対的に構造強度の増大を図れる溶接構造を提供できる。

請求項２記載の発明によれば、並列溶接部と千鳥溶接部とを、一つの長尺部材に対して混在させ、長尺部材に対し板状部材をねじる荷重が支配的に作用する領域では、並列溶接部を選択することにより、長尺部材に発生する応力を千鳥溶接部の場合より少なくすることができるとともに、長尺部材に対し板状部材から曲げ荷重が支配的に作用する領域では、千鳥溶接部を選択することにより、長尺部材に発生する応力を並列溶接部の場合より少なくすることができ、長尺部材の場所によって異なる支配的な荷重の種類に応じて、一方の断続溶接と他方の断続溶接との関係を適切に対応させることができ、長尺部材の全長にわたって共通形式の断続溶接を用いる場合より相対的に構造強度の増大を図れる溶接構造を提供できる。

請求項３記載の発明によれば、作業機械における作業装置および搭載機器を搭載した機体の溶接構造において、機体フレームに梁部材の一方の長辺縁を一方の断続溶接により固着し、梁部材の他方の長辺縁に、搭載機器の取付部が設けられた天板を他方の断続溶接により固着するに際して、一方の断続溶接と他方の断続溶接とを並列溶接の形式に溶接した並列溶接部と、一方の断続溶接と他方の断続溶接とを千鳥溶接の形式に溶接した千鳥溶接部とを選択して、梁部材に対し天板をねじる荷重が支配的に作用する領域では、並列溶接部を選択することにより、梁部材に発生する応力を千鳥溶接部の場合より少なくすることができるとともに、梁部材に対し天板から曲げ荷重が支配的に作用する領域では、千鳥溶接部を選択することにより、梁部材に発生する応力を並列溶接部の場合より少なくすることができ、梁部材に作用する支配的な荷重の種類に応じて断続溶接の形式を適切に対応させることができ、相対的に構造強度の増大を図れる作業機械を提供できる。

本発明に係る溶接構造の一実施の形態を示す斜視図である。同上溶接構造の正面図である。（ａ）は同上溶接構造における並列溶接を説明するための断続溶接構造模型図であり、（ｂ）は同上溶接構造における千鳥溶接を説明するための断続溶接構造模型図である。同上溶接構造の長尺部材に対し板状部材をねじる荷重が作用する場合の同一荷重下での応力比較例を示し、（ａ）は同上ねじる荷重が支配的に作用する場合を説明するための斜視的模型図であり、（ｂ）は同上ねじる荷重が並列溶接の長尺部材に作用した場合の応力分布を示す説明図であり、（ｃ）は同上ねじる荷重が千鳥溶接の長尺部材に作用した場合の応力分布を示す説明図である。同上溶接構造の長尺部材に対し板状部材から垂直な曲げ荷重が作用する場合の同一荷重下での応力比較例を示し、（ａ）は同上曲げ荷重が支配的に作用する場合を説明するための斜視的模型図であり、（ｂ）は同上曲げ荷重が並列溶接の長尺部材に作用した場合の応力分布を示す説明図であり、（ｃ）は同上曲げ荷重が千鳥溶接の長尺部材に作用した場合の応力分布を示す説明図である。本発明に係る作業機械の一実施の形態を示す側面図である。同上作業機械の機体構造物の一例を示す斜視図である。同上作業機械の機体構造物に搭載された主な機器の配置を示す平面図である。従来の断続溶接例を示す機体構造物の断面図である。

以下、本発明を、図１乃至図８に示された一実施の形態に基いて詳細に説明する。

図６は、本発明に係る作業機械としての油圧ショベル11を示し、機体12と、この機体12に搭載された作業装置13とを具備している。

機体12は、下部走行体14と、この下部走行体14に対し旋回可能に設けられた上部旋回体15とを備え、上部旋回体15には、作業装置13に加えて、オペレータの運転室を形成するキャブ16、動力装置17およびカウンタウエイト18などが搭載されている。

作業装置13は、上部旋回体15にブーム13bmの基端が回動自在に軸支され、このブーム13bmの先端にスティック13stの基端が回動自在に軸支され、このスティック13stの先端にバケット13bkが回動自在に軸支され、これらは、ブームシリンダ13bmc、スティックシリンダ13stcおよびバケットシリンダ13bkcにより、それぞれ回動される。

図７は、上部旋回体15の主要な機体構造物を示し、母材としての機体フレーム21の中央部上に配置されて溶接されたＩ型断面構造の１対のメインレール22およびこれらの延長上に位置する作業装置取付ブラケット23と、その一側部に配置された箱型断面構造のタンク搭載部24と、その前方に配置された箱型断面構造のコントロールバルブ搭載部25と、作業装置取付ブラケット23を挟んで反対側に配置された箱型断面構造の複数のキャブ搭載部26と、その後方に配置された箱型断面構造のクーリングユニット搭載部27とを備えている。

図８に示されるように、メインレール22上にはエンジン31が配置され、このエンジン31の側方には、ファイアウォール32を介して、エンジン31により駆動される油圧回路用メインポンプ33およびパイロットポンプ34が配置され、タンク搭載部24には、燃料タンク35および油圧回路用作動油タンク36が搭載され、コントロールバルブ搭載部25には油圧回路制御用のコントロールバルブ37が搭載され、キャブ搭載部26には前記キャブ16が搭載され、クーリングユニット搭載部27には、エンジン31により駆動される冷却ファン38と対向させて、ラジエータ、オイルクーラおよびアフタークーラなどを一体化した搭載機器としてのクーリングユニット39が搭載されている。

図１および図２は、上部旋回体15の機体構造物のうちのクーリングユニット搭載部27における溶接構造を示し、母材としての機体フレーム21上に、２つの長辺縁を有する長尺部材としての梁部材41の一方（下方）の長辺縁が、一方の断続溶接42a，42b，42cにより固着され、また、この梁部材41の他方（上方）の長辺縁上に、板状部材としての天板43が、他方の断続溶接44a，44b，44cにより固着されている。

図１に示されるように、天板43は、梁部材41から水平方向に離間された位置に、搭載機器としてのクーリングユニット39を取り付けるための取付部としての取付穴45，46，47，48を有する。

これらの取付穴45，46，47，48の位置、特に取付穴45，46の位置により、図２に示されるように梁部材41に対し天板43をねじる荷重が支配的に作用する領域Ａtwiと、このねじる荷重の影響が弱まり相対的に梁部材41に対し天板43から曲げ荷重が支配的に作用する領域Ａbenとに区別される。

上記溶接構造のうち、梁部材41に対し天板43をねじる荷重が支配的に作用する領域Ａtwiでは、一方の断続溶接42a，42cと他方の断続溶接44a，44cとを並列溶接の形式に溶接した並列溶接部Ｗparが溶接継手として適用され、また、梁部材41に対し天板43から曲げ荷重が支配的に作用する領域Ａbenでは、一方の断続溶接42bと他方の断続溶接44bとを千鳥溶接の形式に溶接した千鳥溶接部Ｗzigが溶接継手として適用されている。

これらの図１および図２は、並列溶接部Ｗparおよび千鳥溶接部Ｗzigを、１つの長尺部材としての梁部材41に混在させた例であるが、例えばタンク搭載部24、コントロールバルブ搭載部25およびクーリングユニット搭載部27などにおける複数の長尺部材が有する複数の溶接領域にわたって、並列溶接部と千鳥溶接部とを分散させる場合にも本発明を適用できる。

次に、図３（ａ）は、一方（下方）の断続溶接42と他方（上方）の断続溶接44とを並列溶接の形式に溶接した並列溶接部Ｗparを示す梁部材41parの断続溶接構造模型であり、図３（ｂ）は、一方（下方）の断続溶接42と他方（上方）の断続溶接44を千鳥溶接の形式に溶接した千鳥溶接部Ｗzigを示す梁部材41zigの断続溶接構造模型である。

そして、図４（ａ）に示されるように、梁部材41に対し天板43をねじる荷重Ｌtwiが支配的に作用する荷重モデルでは、同上ねじる荷重Ｌtwiが並列溶接の梁部材41parに作用すると図４（ｂ）に示される応力分布となり、また、同一のねじる荷重Ｌtwiが千鳥溶接の梁部材41zigに作用すると図４（ｃ）に示される応力分布となる。図４（ｂ）および（ｃ）において、ます目内の網目が細かいほど高い応力範囲を表わし、同じ網目は同じ応力範囲を表わす。

この図４（ｂ）と（ｃ）に示される、梁部材41に対し天板43をねじる荷重Ｌtwiが作用する場合の同一荷重下での応力分布を比較すると、（ｂ）の並列溶接の梁部材41parに発生する応力は、（ｃ）の千鳥溶接の梁部材41zigに発生する応力の約８５％であり、すなわち、梁部材41に対し天板43をねじる荷重Ｌtwiが支配的に作用する領域では、並列溶接の梁部材41parで受ける負担が、千鳥溶接の梁部材41zigで受ける負担の約８５％で済み、言い換えればねじる荷重Ｌtwiに対する構造強度の増大を図る上では並列溶接部Ｗparの梁部材41parの方が優れている。

なお、溶接される部材の板厚の組み合わせや断続溶接の間隔などで応力の％は変化するので、本応力比較例での約８５％は一例にすぎない。

さらに、図５（ａ）に示されるように、梁部材41に対し梁部材41に垂直な曲げ荷重Ｌbenが支配的に作用する荷重モデルでは、同上曲げ荷重Ｌbenが並列溶接の梁部材41parに作用すると図５（ｂ）に示される応力分布となり、また、同一の曲げ荷重Ｌbenが千鳥溶接の梁部材41zigに作用すると図５（ｃ）に示される応力分布となる。図５（ｂ）および（ｃ）において、ます目内の網目が細かいほど高い応力範囲を表わし、同じ網目は同じ応力範囲を表わす。

この図５（ｂ）と（ｃ）に示される、梁部材41に対し曲げ荷重Ｌbenが作用する場合の同一荷重下での応力分布を比較すると、（ｃ）の千鳥溶接の梁部材41zigに発生する応力は、（ｂ）の並列溶接の梁部材41parに発生する応力の約９０％であり、すなわち、梁部材41に垂直な曲げ荷重Ｌbenが支配的に作用する領域では、千鳥溶接の梁部材41zigで受ける負担が、並列溶接の梁部材41parで受ける負担の約９０％で済み、言い換えれば曲げ荷重Ｌbenに対する構造強度の増大を図る上では千鳥溶接部Ｗzigの梁部材41zigの方が優れている。なお、本応力比較例での約９０％は一例にすぎない。

これらの結果から、作業機械としての油圧ショベル11における作業装置13およびクーリングユニット39などの搭載機器を搭載した機体12の溶接構造において、図１および図２に示されるように、一方の断続溶接42a，42cと他方の断続溶接44a，44cとを並列溶接の形式に溶接した並列溶接部Ｗparと、一方の断続溶接42bと他方の断続溶接44bとを千鳥溶接の形式に溶接した千鳥溶接部Ｗzigとを、一つの梁部材41に対して混在させた場合は、梁部材41に対し天板43をねじる荷重が支配的に作用する領域Ａtwiでは、並列溶接部Ｗparを選択することにより、梁部材41に発生する応力を千鳥溶接部Ｗzigの場合より少なくすることができるとともに、梁部材41に対し天板43から曲げ荷重が支配的に作用する領域Ａbenでは、千鳥溶接部Ｗzigを選択することにより、梁部材41に発生する応力を並列溶接部Ｗparの場合より少なくすることができ、梁部材41の場所によって異なる支配的な荷重の種類に応じて、一方の断続溶接42a，42b，42cと他方の断続溶接44a，44b，44cとの関係を適切に対応させることができ、梁部材41の全長にわたって共通形式の断続溶接を用いる場合より相対的に構造強度の増大を図れる。

また、母材としての機体フレーム21に、長尺部材としての梁部材41の一方の長辺縁を一方の断続溶接42a，42b，42cにより固着し、梁部材41の他方の長辺縁に、搭載機器としてのクーリングユニット39などの取付部が設けられた板状部材としての天板43を他方の断続溶接44a，44b，44cにより固着するに際して、図３（ａ）に示されるように一方の断続溶接42と他方の断続溶接44とを並列溶接の形式に溶接した並列溶接部Ｗparと、図３（ｂ）に示されるように一方の断続溶接42と他方の断続溶接44とを千鳥溶接の形式に溶接した千鳥溶接部Ｗzigとを選択して、図４に示されるように梁部材41に対し天板43をねじる荷重Ｌtwiが支配的に作用する領域では、並列溶接部Ｗparを選択することにより、この並列溶接部Ｗparの梁部材41parに発生する応力を、千鳥溶接部Ｗzigの梁部材41zigに発生する応力より少なくすることができるとともに、図５に示されるように梁部材41に対し曲げ荷重Ｌbenが支配的に作用する領域では、千鳥溶接部Ｗzigを選択することにより、この千鳥溶接部Ｗzigの梁部材41zigに発生する応力を、並列溶接部Ｗparの梁部材41parに発生する応力より少なくすることができ、梁部材41に作用する支配的な荷重Ｌtwi，Ｌbenの種類に応じて断続溶接の形式を適切に対応させることができ、相対的に構造強度の増大を図れる溶接構造および作業機械を提供できる。

さらに、連続溶接と比較して、断続溶接により加工費の削減と熱ひずみの軽減とを図れることは言うまでもない。

次に、本発明の溶接構造は、箱型断面構造のクーリングユニット搭載部27に限定されるものではなく、例えば、同様に箱型断面構造のタンク搭載部24やコントロールバルブ搭載部25などにも適用可能である。

これらのタンク搭載部24やコントロールバルブ搭載部25でも、クーリングユニット搭載部27と同様に、母材としての機体フレーム21に、２つの長辺縁を有する長尺部材の一方の長辺縁を一方の断続溶接により固着し、長尺部材の他方の長辺縁に他方の断続溶接により板状部材を固着する溶接構造を同様に採用するが、長尺部材に対し板状部材をねじる荷重が支配的に作用する領域では、一方の断続溶接と他方の断続溶接とを並列溶接の形式に溶接し、長尺部材に対し曲げ荷重が支配的に作用する領域では、一方の断続溶接と他方の断続溶接とを千鳥溶接の形式に溶接する。

その際、各搭載部24，25の各長尺部材内において場所により作用する支配的な荷重の種類が異なる場合は、その荷重に応じて並列溶接部Ｗparと千鳥溶接部Ｗzigとを適切に混在させることができ、長尺部材の全長にわたって共通形式の断続溶接を用いる場合より相対的に構造強度の増大を図れる溶接構造を提供できる。また、各搭載部24，25の相互間において各長尺部材ごとに主として作用する支配的な荷重の種類が異なる場合は、その各長尺部材ごとに荷重に応じて並列溶接部Ｗparと千鳥溶接部Ｗzigとを適切に分散させることができ、全ての長尺部材に共通形式の断続溶接を用いる場合より構造強度の増大を図れる。

なお、本発明の作業機械は、旋回型の油圧ショベル11に限定されるものではなく、非旋回型の機体フレームに作業装置を備えた他の作業機械、例えばブルドーザやホイールローダなどにも適用することができる。

本発明は、溶接構造物および作業機械の製造、販売またはリースなどに携わる事業者にとって、利用可能性がある。

11 作業機械としての油圧ショベル
12 機体
13 作業装置
21 母材としての機体フレーム
39 搭載機器としてのクーリングユニット
41 長尺部材としての梁部材
42a，42b，42c 一方の断続溶接
43 板状部材としての天板
44a，44b，44c 他方の断続溶接
45〜48 搭載機器の取付部としての取付穴
Ｌtwi ねじる荷重
Ａtwi ねじる荷重が支配的に作用する領域
Ｗpar 並列溶接部
Ｌben 曲げ荷重
Ａben 曲げ荷重が支配的に作用する領域
Ｗzig 千鳥溶接部

Claims

母材と、
２つの長辺縁を有し母材に一方の長辺縁を一方の断続溶接により固着された長尺部材と、
長尺部材の他方の長辺縁に他方の断続溶接により固着された板状部材とを具備した溶接構造において、
長尺部材に対し板状部材をねじる荷重が支配的に作用する領域で一方の断続溶接と他方の断続溶接とを並列溶接の形式に溶接した並列溶接部と、
長尺部材に対し板状部材から曲げ荷重が支配的に作用する領域で一方の断続溶接と他方の断続溶接とを千鳥溶接の形式に溶接した千鳥溶接部とを備えた
ことを特徴とする溶接構造。
並列溶接部および千鳥溶接部は、１つの長尺部材に混在させた
ことを特徴とする請求項１記載の溶接構造。
機体と、
機体に搭載された作業装置および搭載機器とを具備した作業機械において、
機体は、請求項１または２記載の溶接構造を有し、
母材としての機体フレームと、
機体フレーム上に溶接された長尺部材としての梁部材と、
梁部材上に溶接された板状部材としての天板とを備え、
天板は、
梁部材から水平方向に離間された位置に取り付けられる搭載機器の取付部を有する
ことを特徴とする作業機械。