JP5985901B2 - 溶接継手およびその形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼板の隅肉溶接によって形成される溶接継手に関し、特に自動車のシャシー部品に好適な疲労特性に優れた溶接継手およびその形成方法に関するものである。

自動車のシャシー部品や建設機械、橋梁等の部材には、隅肉溶接が多用され、かつ高い疲労特性が要求されるが、その際、溶接ビードを機械加工で滑らかに仕上げることによって、溶接継手に応力集中が起こるのを抑制して、疲労強度を高めている。しかし、このような溶接ビードの機械加工には多大な労力を要するので、溶接ビードの機械加工を行なわずに溶接継手の疲労特性を向上する技術が種々検討されてきている。

隅肉溶接における溶接継手の疲労破壊とは、図４に示すように、２枚の鋼板（主板１、上板２）のうちの主板１に、矢印Ａで示すような反復応力が繰り返し作用することで、主板１側の溶接ビード３の端部４（溶接止端部）から亀裂が発生し、さらに主板１の裏面方向へ亀裂が進行することによって、主板１が破断する現象である。従って、溶接継手の疲労破壊を抑止するためには、まず溶接止端部４から発生する亀裂を抑制する必要がある。

このような問題に対し、特許文献１には、非消耗電極で溶接ビードの表面層を再溶融させ、その裏面形状を成形することで溶接継手の形状を整形し、溶接継手部の疲労強度を改善する技術が開示されている。すなわち、溶接ままの溶接ビードは、表面張力によって凸形状となり易いので、その溶接ビードを再溶融すれば、溶接ビードは凸部が均されて全体的に平滑となる。

また、特許文献２には、ホイールの組付け溶接において、溶接ビードの始端および終端部の接触角を130度以上に局所的に修正して応力の集中部位をなくし、部材としての疲労特性を向上する技術が開示されている。すなわち、溶接ままの溶接ビード始端部は、部材温度が低く表面張力によって凸となり易く、また溶接ビード終端部はアークの停止によって不連続な形状となり易いため、上記接触角とすることで、鋼板の疲労特性の向上が期待できる。

特開昭５９−１１０４９０号公報 特開昭６１−２０２７８１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術は、溶接ビードを削除するものではなく、溶接ビードそのものを再溶融し整形するために、溶接ビードの幅および溶接金属量はそのままであり、平滑化効果は限定的である。また、溶接によって生じたアンダーカットはそのまま残るため、これに集中する応力の緩和効果は小さい。結果として大きな疲労強度向上効果は得られない。

また、特許文献２に開示された技術もまた、溶接ビードを削除するものではなく、溶接ビードそのものを再溶融して整形するために、溶接ビードの幅および溶接金属量はそのままであり、平滑化効果は限定的である。
なお、発明者らの研究によって、溶接ビードそのものを再溶融し整形するだけでは溶接ビードの平滑化には限界があることが分かっている。

本発明は、上記した問題を有利に解決するもので、溶接継手の主板に対して反復応力が繰り返し作用した場合に、溶接止端部への応力集中を効果的に抑制し、優れた疲労特性を発現する溶接継手を、その有利な形成方法と共に提案することを目的とする。

発明者らは、上記した問題を解決するために、溶接した鋼板（すなわち主板）の溶接ビードに機械加工を施すことなく、主板と溶接ビードとの境界（溶接止端部）近辺をなだらかに形成することで、反復応力による応力集中を抑制するための技術を鋭意検討した。

そして、溶接止端部を中心として主板と溶接ビードの両方を再溶融して整形することで、隅肉溶接が施された溶接継手の疲労特性を効果的に改善できることを突き止めた。
本発明は、上記の知見に基づき、完成されたものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．板厚が1.2mm以上の鋼板を隅肉溶接してなる溶接継手であって、
該溶接継手は、溶接ビードと、該溶接ビードの止端部を中心とする該溶接ビードと該鋼板との再溶融部と、をそなえ、
該再溶融部の幅をＷ（mm）、また該再溶融部の見掛け高さをＨ（mm）としたとき、これらＷおよびＨが下記の（1）式および（2）式を満足することを特徴とする鋼板の溶接継手。
記
３≦Ｗ≦５ｔ ・・・（1）
２Ｈ≦Ｗ ・・・（2） ここで ｔ（mm）：鋼板の板厚

２．ブラケットの取り付け溶接部が、前記１に記載の溶接継手であることを特徴とする自動車用シャシー部材。

３．前記１に記載の溶接継手を形成するにあたり、鋼板を隅肉溶接したのち、溶接ビードの止端部を中心として溶接ビードと鋼板とを再溶融するに際し、再溶融の熱源としてプラズマを用いるものとし、該プラズマの電流：50〜150Ａ、該プラズマのトーチ先端と鋼材との距離：２〜５mm、該プラズマによる再溶融の中心位置と溶接ビード止端部との距離：1.5mm以内および該プラズマトーチ速度：200〜600mm／分の条件で再溶融処理を行うことを特徴とする溶接継手の形成方法。

本発明によれば、隅肉溶接を施した溶接継手に対し、反復応力が繰り返し作用した場合の溶接止端部への応力集中を効果的に制御することが可能であり、その結果、優れた疲労特性を有する溶接継手を得ることができる。

本発明の溶接継手の例を模式的に示す断面図である。 本発明の溶接継手の他の例を模式的に示す断面図である。 本発明の溶接継手の他の例を模式的に示す断面図である。 従来の溶接継手の例を模式的に示す断面図である。 疲労試験片を模式的に示すもので（a）が平面図であって（b）が側面図である。 疲労試験に供する自動車用シャシー部材とブラケットの溶接部の模式図である。

以下、本発明を具体的に説明する。
図１〜３は、本発明の溶接継手の例をそれぞれ模式的に示す断面図である。本発明は、図１に示すように２枚の鋼板（すなわち主板１、上板２）を重ね合わせて、隅肉溶接（継手溶接）を行ない、得られた溶接ビード３の止端部および鋼板（主板１）を、プラズマを熱源として用いて再溶融５し、溶接止端部と鋼板（主板１）との接触部を平滑に処理するものである。なお、図３のようなフレア溶接継手の場合は、上板が無く主板のみとなる。

〔対象板厚≧1.2mm〕
本発明での対象鋼板（主板１）は、疲労強度向上が課題とされる590MPa級以上の高張力鋼板への適用が有効である。また、その対象板厚としては、アーク溶接が可能なl.2mm以上とする必要がある。一方、対象板厚の上限は、特に限定はされないが、プラズマの溶融能力から6.0mm程度とするのが好ましい。

〔再溶融部の幅：Ｗ（mm）および再溶融部の見掛け高さ：Ｈ（mm）〕
本発明では、隅肉溶接を施して継手溶接を形成後、溶接ビードと鋼板を再溶融させることで生じた再溶融部の幅Ｗ（mm）と再溶融部の見掛け高さＨ（mm）が溶接継手の疲労強度改善効果を決める重要な項目であり、以下に示す（1）式および（2）式を満足することが必要である。
３≦Ｗ≦５ｔ ・・・（1）
２Ｈ≦Ｗ ・・・（2）
なお、本発明における再溶融部の幅：Ｗは、図１に示したように、再溶融方向に垂直でかつ主板表面に平行な方向の長さであり、再溶融部の見掛け高さ：Ｈは、主板表面から再溶融部の稜線までの高さを示している。また、鋼板が湾曲している場合には、図３に示したように、主板に再溶融端部から接線を引き、その接線方向を仮想の主板表面にして、上記定義に従いＨおよびＷを求める。

〔３≦Ｗ≦５ｔ〕
再溶融部の幅：Ｗ（mm）が広いほど疲労特性改善の効果は大きいが、主板の板厚［ｔ（mm）］の５倍、すなわち５ｔ（mm）を超えると、再溶融中に、熱風過多となって溶接部が変形し、部材としての価値が下がってしまう。一方、Ｗが３mmに満たないと、再溶融による疲労改善効果が小さい。よって、再溶融部の幅：Ｗは、３mm以上で、かつ板厚の５倍以下とする必要がある。

〔２Ｈ≦Ｗ 〕
再溶融部の見掛け高さＨ（mm）は、再溶融部の幅Ｗ（mm）の1/2倍を超えると溶融による疲労改善効果が小さくなる。よって、再溶融部の見掛け高さＨは、再溶融部の幅Ｗの1/2以下とする必要がある。一方、再溶融部の見掛け高さＨは、小さいほど疲労特性に優れるため、その下限に限定はないが、アンダーカット（凹み）防止の観点から、再溶融部の見掛け高さＨは、再溶融部の幅Ｗの1/6以上とするのが好ましい。

〔熱源〕
隅肉溶接を施した溶接継手の溶接ビードと鋼板とを再溶融する場合、熱源としては、MAGアーク、TIGアーク、プラズマアークおよびレーザ等が考えられる。そのなかでも、TIGアークを改善したプラズマアークは、パイロットアーク（火種）を有することによって自動化に対応しており、電極の耐久性も改善されているため、溶接ビードと鋼板の溶融処理を行う熱源としては最も好ましい。

〔プラズマによる溶融の中心位置：溶接止端部からl.5mm以内〕
溶接ビードの止端部（溶接止端部）は、一般に形状が不連続になるが、本発明では、これを再溶融することで平滑化することに特徴がある。また、プラズマは、Cu電極によってプラズマアークの広がりを抑制し、熱をその中心に集中させている。
すなわち、溶接ビードの止端部を再溶融させて平滑化するためには、プラズマによる再溶融の中心付置を溶接止端部近傍とすることが重要であるが、再溶融の中心位置が溶接止端部からl.5mmを越えると、溶接止端部の形状を平滑に維持することが困難となって疲労改善効果が小さくなってくる。従って、プラズマによる再溶融の中心位置は、溶接止端部からl.5mm以内とすることが好ましい。

〔プラズマトーチ先端と鋼材との距離：２〜５mm〕
プラズマトーチ先端を、鋼材表面から離すことでプラズマ気流の影響を抑え、再溶融部を平滑にすることができる。しかしながら、その距離が５mmを超えるとプラズマを安定的に維持することが困難となり、再溶融部が不連続となり易い。一方、プラズマトーチ先端と鋼材との距離を２mm未満にすると、上記したプラズマ気流の影響により、溶融部が凹形状となって疲労強度が低下し易くなる。従って、プラズマトーチ先端と鋼材との距離は、２mm以上５mm以下の範囲とすることが好ましい。

〔プラズマトーチ速度：200〜600mm／分、プラズマの電流：50〜150Ａ〕
平滑で連続した溶融処理には、プラズマトーチ速度が低速で、かつプラズマの電流が高電流の条件が有利である。しかしながら、プラズマトーチ速度：200mm未満、またはプラズマの電流：150Ａ超の条件になると、溶融過多によって溶接継手が変形することになり、部材そのものの価値が下がる。一方、プラズマトーチ速度：600mm／分超、またはプラズマの電流：50Ａ未満の条件では、プラズマの入熱量が不足して再溶融部が不連続になり易い。よって、プラズマトーチ速度は200mm／分以上600mm／分以下とし、さらにプラズマの電流は50Ａ以上、150Ａ以下とすることが好ましい。

〔自動車用シャシー部材のブラケットの取り付け溶接部〕
ここに、自動車用シャシー部材は、自動車の走行中の振動と操舵に伴う応力の繰り返しによって複雑な荷重変動を受ける。また、近年の車体軽量化を目的とした鋼板の薄厚、高張力化によって部材としての疲労強度が低下するため、自動車用シャシー部材は、その疲労強度向上が強く求められている。「自動車用シャシー部材」とは、例えば「サスペンションのアーム」または「サスペンションなどを支持するサブフレーム」などである。

そこで、発明者らが破壊現象の解析と荷重試験を行った結果、サブフレームのブラケットの取り付け溶接部に対する応力の集中が最も大きく、疲労による破壊を生じやすいことが分かった。従って、上記溶接部に対し、本発明に従う溶接継手を適用することは、応力の集中を効果的に低減して、サブフレームのブラケットの取り付け溶接部の寿命をのばすために、好ましい実施形態である。

表１に示す３種類の熱延鋼板を用いて、図５（a）に斜線で示すような隅肉溶接を行ない、溶接ビード３を形成した。溶接は、シールドガスとしてArにCO₂と0₂とを混合したガスを用いMAG溶接で行った。次に、表２に示す条件により、溶接ビード３の止端部と鋼板とを溶融した。なお、表中、プラズマのトーチ先端と鋼材との距離をＬ_Tとし、再溶融の中心の溶接ビード止端からの距離をＬ_Cとした。また、プラズマガスは、Arに７vol％のH₂を混合したガスを用いた。
得られた溶接継手の形状を表３に示す。

次に、図５（a）および（b）に示すような形状の疲労試験片を切り出して、疲労試験（装置：シェンク式、方法：平面曲げ片振り、周波数：20Hz、繰返し回数：最大1000万回）を、100〜400MPaで行ない、亀裂が生じたときの回数を測定し、繰返し回数が1000万回においても亀裂が生じなかった最高荷重を疲労限として評価した。なお、図５（b）中、６は補強溶接部である。
その結果を表３に併せて示す。

表３中の試験番号ｌ〜14（発明例）は、本発明の範囲を満足する例であり、一方、試験番号15（比較例）は未溶融処理材であり、本発明の範囲外である。また、試験番号16および17（比較例）は、再溶融部の形状が本発明の範囲外である。
前記した疲労試験を種々の応力で行い求めた疲労限は、発明例では250〜350MPaであったのに対して、比較例では200MPa以下であった。
従って、発明例は、比較例よりも、疲労特性が向上していることが確かめられた

次に、図６に示したサブフレームを試作して実車を想定した9800kNから24500kNの繰り返し荷重試験を実施した。ブラケット溶接部の形状と亀裂発生回数を表４に示す。なお、図中、７はサブフレーム、８はブラケット溶接部および９はブラケットである。

表４から明らかなように、試験番号18および19（発明例）では、亀裂発生回数が50万回以上であったのに対して、 試験番号20および21（比較例）は、20万回以下であった。従って、サブフレームの場合でも、本発明に従う発明例は、 比較例よりも、疲労特性が向上していることが確かめられた。

本発明によれば、隅肉溶接の溶接継手の疲労特性を向上することができるので、自動車の軽量化等、産業上、格段に有利な効果を得ることができる。

１ 主板
２ 上板
３ 溶接ビード
４ 溶接止端部
５ 再溶融部
６ 補強溶接部
７ サブフレーム
８ ブラケット溶接部
９ ブラケット

Claims (3)

1. 板厚が1.2mm以上の鋼板を隅肉溶接してなる溶接継手であって、
   該溶接継手は、溶接ビードと、該溶接ビードの止端部を中心とする該溶接ビードと該鋼板との再溶融部と、をそなえ、
   該再溶融部の幅をＷ（mm）、また該再溶融部の見掛け高さをＨ（mm）としたとき、これらＷおよびＨが下記の（1）式および（2）式を満足することを特徴とする鋼板の溶接継手。
   記
   ３≦Ｗ≦５ｔ ・・・（1）
   ２Ｈ≦Ｗ ・・・（2）
   ここで ｔ（mm）：鋼板の板厚
2. ブラケットの取り付け溶接部が、請求項１に記載の溶接継手であることを特徴とする自動車用シャシー部材。
3. 請求項１に記載の溶接継手を形成するにあたり、鋼板を隅肉溶接したのち、溶接ビードの止端部を中心として溶接ビードと鋼板とを再溶融するに際し、再溶融の熱源としてプラズマを用いるものとし、該プラズマの電流：50〜150Ａ、該プラズマのトーチ先端と鋼材との距離：２〜５mm、該プラズマによる再溶融の中心位置と溶接ビード止端部との距離：1.5mm以内および該プラズマトーチ速度：200〜600mm／分の条件で再溶融処理を行うことを特徴とする溶接継手の形成方法。

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