JP5994879B2 - 重ね隅肉アーク溶接継手 - Google Patents

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Description

本発明は自動車部品など薄板溶接構造体の重ね隅肉アーク溶接継手に関する。
近年、自動車業界では、地球温暖化防止の観点から車体軽量化が望まれている。例えば、シャシーフレーム部品や足回り部品に対してハイテン材を適用すれば、鋼板を薄肉化することで車体全体の軽量化に寄与できる。
シャシーフレーム部品や足回り部品の多くはアーク溶接で接合されており、2つの部品を溶接する場合、2つの部品のうちの一方の部品の端部と他方の部品の表面を前記一方の部品の端部に沿って溶接する重ね隅肉アーク溶接が採用されていることが多い。
特開2014−4607号公報 特開2012−213803号公報 特開平10−193164号公報
2部品をアーク溶接により隅肉溶接した場合、溶接ビードの溶接止端部は耐久試験において亀裂の発生部となりやすいため、溶接止端部の多層化(特許文献1)、シールドガス成分の検討(特許文献2)、溶接部周辺の残留応力の除去(特許文献3)など、様々な手法で溶接止端部の疲労強度を向上させる検討がなされている。しかしながら、これらの技術は溶接工数が増加したり、特殊なガスを必要としたりするためコスト増となり、溶接工数を増すことなく低コストで疲労強度を向上する手段がないのが現状である。
本発明は、シャシーフレーム部品や足回り部品等における上記課題を解決するためになされたものであり、2枚の板(金属板)を重ねてアーク溶接により重ね隅肉溶接されるものにおいて、コストや工程数を増やすことなく疲労強度に優れる重ね隅肉アーク溶接継手を提供することを目的としている。
(1)本発明に係る重ね隅肉アーク溶接継手は、2枚の板を重ねて、一方の板の端部と他方の板の表面を前記一方の板の端部に沿って溶接した重ね隅肉アーク溶接継手であって、
前記他方の板の前記表面側に突出したビード状の屈曲凸部を設け、該屈曲凸部の傾斜面部のうち、前記一方の板の端部と溶接される側の前記傾斜面部に溶接止端部が位置することを特徴とするものである。
本発明に係る重ね隅肉アーク溶接継手は、2枚の板を重ねて一方の板の端部と他方の板の表面を前記一方の板の端部に沿って溶接したものであって、前記他方の板の前記表面側に突出したビード状の屈曲凸部を設け、該屈曲凸部の傾斜面部のうち、前記一方の板の端部と溶接される側の前記傾斜面部に溶接止端部が位置することにより、溶接止端部における応力集中が抑制されるため、前記溶接止端部からの疲労破壊を防ぐことができ、前記重ね隅肉アーク溶接継手により接合された接合部品の疲労強度を向上させることができる。
本発明の参考形態に係る重ね隅肉アーク溶接継手の断面図である。 本発明の参考形態に係る重ね隅肉アーク溶接継手と従来の重ね隅肉アーク溶接継手を説明する断面図である。 本発明の参考形態に係る重ね隅肉アーク溶接継手の他の態様の断面図である。 本発明の参考形態及び実施形態に係る重ね隅肉アーク溶接継手で接合された自動車用足回り部品の一例の斜視図である。 本発明の実施形態に係る重ね隅肉アーク溶接継手の断面図である。 本発明の実施形態に係る重ね隅肉アーク溶接継手を説明する断面図である。 実施例1及び実施例2における溶接方法の説明図である。 実施例1及び実施例2における平面曲げ疲労試験の疲労試験片の形状の説明図である。 実施例1及び実施例2における疲労試験方法の説明図である。 実施例1における屈曲凸部の形状の説明図である。 実施例1における疲労試験結果の図である。 実施例2における重ね隅肉アーク溶接継手の形状の説明図である。
参考形態
本発明の参考形態に係る重ね隅肉アーク溶接継手について、以下、具体的に説明する。
本発明に係る重ね隅肉アーク溶接継手1は、図1に示すように、2枚の板を重ねて、一方の板(上側部品9の縦壁部9a)の端部と他方の部品(下側部品3の縦壁部3a)の表面とを、上側部品9の端部に沿って接合するに際し、上側部品9の縦壁部9aの端部に並行し、該端部と溶接される下側部品3の縦壁部3aの表面側に突出するように形成したビード状の屈曲凸部5の頂上部に溶接止端部1aが位置するようにアーク溶接にて線状に接合したものである。
ここで、図1に示すように、下側部品3に屈曲凸部5を設けて上側部品9の端部とアーク溶接することで、重ね隅肉アーク溶接継手1の疲労強度が向上する理由を図2に基づいて説明する。
従来の重ね隅肉アーク溶接継手11の場合、図2(a)に示すように、金属板が重なる部分の断面形状は下側部品13の金属板の表面と上側部品9の金属板の端部により直角形状となる(図2(a)中の点線)。
下側部品13と上側部品9の重ね隅肉アーク溶接継手11は、前記直角形状の直角部を中心とし、下側部品13の金属板の表面との交点及び上側部品9の金属板の表面との交点がそれぞれ溶接止端部11a及び溶接止端部11bとなる。
一方、本発明の参考形態に係る重ね隅肉アーク溶接継手1の場合、(図2(b))に示すように、屈曲凸部5が形成された下側部品3側の溶接止端部1aは屈曲凸部5の頂上部に位置する。
このような形状の重ね隅肉アーク溶接継手1及び重ね隅肉アーク溶接継手11に応力が集中する場合の応力集中係数Ktは、下式(1)により算出される。
ここで式(1)中の記号は、図2に示すように、θはフランク角、ρは曲率半径、Tは重ね部厚さ、tは下板厚さ、hは溶接ビード高さ(溶接ビードの頂上部と溶接止端部の板厚方向の差)である。
式(1)より、フランク角θおよび曲率半径ρが大きいと応力集中係数Ktは小さくなり、応力集中は緩和されることになる。
図2(a)に示す従来の重ね隅肉アーク溶接継手11に比べると、図2(b)に示すような本発明の参考形態に係る重ね隅肉アーク溶接継手1においては、屈曲凸部5の頂上部に溶接止端部1aが位置しているため、ビード高さhが小さくなり、溶接止端部1bでの溶接金属の盛り上がりが小さくなる。その結果、溶接止端部1aにおけるフランク角θが大きくなる。
さらに、本発明の参考形態に係る重ね隅肉アーク溶接継手1において、従来の重ね隅肉アーク溶接継手11の溶接止端部11aに相当する部位は屈曲凸部5の溶接止端部1aであり、溶接止端部1aにおける曲率半径ρ(図2(b)参照)を大きくすることで溶接止端部1aにおける応力集中を緩和することができるため、疲労強度を向上させることができる。
また、式(1)より溶接ビード高さhは小さいと応力集中係数Ktは小さくなる。図2(a)の従来の重ね隅肉アーク溶接継手11の場合に比べて、本発明の参考形態に係る重ね隅肉アーク溶接継手1の溶接ビード高さhは著しく小さくなる。従って、本発明の参考形態は疲労強度を充分に向上させることが可能となるわけである。
以上より、本発明の参考形態に係る重ね隅肉アーク溶接継手1は従来の重ね隅肉アーク溶接継手11よりも応力集中係数Ktを小さくすることができ、疲労強度を向上させることが可能となる。
なお、下側部品3に形成する屈曲凸部5は、図3に示すように、頂上部は平坦な形状であってもよい(図3中のA)。この場合、図2(b)に示すような重ね隅肉アーク溶接継手1場合と同様に、下側部品3側に位置する溶接止端部1aにおけるフランク角θ及び曲率半径ρを大きくできるため、溶接止端部1aにおける応力集中を緩和することができる。さらに、屈曲凸部5の頂上部が平坦であるため、溶接止端部1aが該頂上部に位置するようにアーク溶接することが容易となる。
本発明の参考形態に係る重ね隅肉アーク溶接継手1は、例えば、図4に示すサスペンションアーム21において、重ね代を設けて2枚の板を重ね、上側部品25の端部と下側部品23の表面を上側部品25の端部に沿ってアーク溶接する際に適用することができる。
サスペンションアーム21では、例えば、ブレーキで停止する際に車体の前後方向に荷重が発生する。このような荷重が繰り返し作用するため、上側部品25と下側部品23との接合部27の疲労強度が問題となるが、本発明の参考形態に係る重ね隅肉アーク溶接継手1により2部品を接合することによって、疲労強度を向上させることができる。
[実施の形
本発明の実施の形態に係る重ね隅肉アーク溶接継手について、以下、図5及び図6に基づいて具体的に説明する。
なお、図5及び図6において、図1又は図2と同一又は相当部分には同一の符号を付してある。
本発明に係る重ね隅肉アーク溶接継手31は、図5に示すように、一方の板(上側部品9)の縦壁部9aの端部と他方の板(下側部品3)の縦壁部3aの表面とを、前記端部に沿って接合するに際し、該端部に並行し、下側部品3の前記表面側に突出したビード状の屈曲凸部5において上側部品9の端部と溶接される側の傾斜面部7に溶接止端部1cが位置するようにアーク溶接にて線状に接合したものである。
ここで、図5に示すように、下側部品3に屈曲凸部5を設け、上側部品9の端部と下側部品3の屈曲凸部5の溶接される側の傾斜面部7とをアーク溶接することで、重ね隅肉アーク溶接継手31の疲労強度が向上する理由を図6に基づいて説明する。
本発明に係る重ね隅肉アーク溶接継手31の場合(図6)、屈曲凸部5が形成された下側部品3側の溶接止端部1aは屈曲凸部5の溶接される側の傾斜面部7に位置する。
このような形状は、板幅方向にノッチを有する部材とみなすことができて、当該ノッチに応力が集中する場合の応力集中係数に相当する。応力集中係数Ktは、下式(2)により算出される。
ここで式(2)中の記号は、図6に示すように、θはフランク角、ρは曲率半径、t1は下側部品3の板厚、t2は上側部品9の板厚、hは溶接ビード高さである。
式(2)より、溶接ビード高さhが小さいと応力集中係数Ktは小さくなり、応力集中は緩和されることがわかる。
溶接金属の濡れ性や肉盛量が同じであれば、溶接肉盛の形状が溶接金属の溶融固化後の形状に影響し、図2(a)に示したような従来の重ね隅肉アーク溶接継手11に比べると、図6に示すような傾斜面部7に溶接止端部31aが位置する本発明の重ね隅肉アーク溶接継手31は、明らかに溶接ビード高さhが小さい。従って、本発明に係る重ね隅肉アーク溶接継手31は、従来の重ね隅肉アーク溶接継手11よりも応力集中係数は小さくなり、応力集中が緩和されて疲労強度は向上する。
また、従来の重ね隅肉アーク溶接継手11の場合、アーク溶接の溶接方向に溶接ムラが生じやすくて、溶接の溶鋼が不足する部分を基点に疲労破壊し易くて問題であり、溶接方向に均一な溶接を可能とする方法が望まれていた。
従来の重ね隅肉アーク溶接継手11では、図2(a)に示すように、溶接する部位は上側部品9の縦壁部9aの端部と下側部品13の縦壁部13aの表面が交差する直角部の中心(角部)であり、溶接止端部11a及び溶接止端部11bはそれぞれ下側部品13の表面との交点及び上側部品9の表面との交点となる。したがって、重力が作用して溶接金属の溶鋼が下側部品13の表面に流れ易い状態の場合、溶接条件や金属板表面の状態にわずかなバラツキがあると、溶接金属の溶鋼の濡れ性が変わり、溶接ムラが発生しやすい。
これに対して、本発明の場合、図6に示すように、一方の溶接止端部31aが下側部品3の傾斜面部7に位置し、他方の溶接止端部31bは上側部品9の表面に位置することで、下側部品3の傾斜面部7と上側部品9の端部によって溝形状が形成される。
アーク溶接は該溝形状に沿って行われるため、溶接条件や金属板表面の状態に多少のバラツキがあっても、溶接の溶鋼は重力が作用して溶鋼自身で溶接ムラを均等化する作用が働く。したがって、本発明に係る重ね隅肉アーク溶接継手31では、溶接ムラが生じにくくて安定した溶接が可能となり、その結果、疲労強度が向上する。
なお、図2(b)に示す本発明に係る屈曲凸部5の頂上部に溶接止端部1aが位置する場合も同様であり、溶接ムラが生じにくくて安定した溶接が可能である。
さらに、重ね隅肉アーク溶接継手が板の表面と平行な方向に繰り返し応力を受ける場合、一般に、疲労破壊は溶接止端部から発生し易く、亀裂はほぼ板厚方向に伝播する。従来の重ね隅肉アーク溶接継手11(図2(a))と、傾斜面部7を設けて溶接する本発明の重ね隅肉アーク溶接継手31(図2(b)及び図6)において、一方の溶接止端部11b又は溶接止端部31bはどちらも上側部品9の金属板表面との交点であって、どちらも同位置である。
しかし、従来の重ね隅肉アーク溶接継手11の場合においては、他方の溶接止端部11aは下側部品3の表面にあって(図2(a))、亀裂の伝播方向が下側部品3の表面にほぼ垂直で、疲労の繰り返しの応力の方向(下側部品3の表面と平行な方向)とはほぼ垂直の関係となってしまうため、亀裂の伝播長が短い。
これに比べて、本発明の重ね隅肉アーク溶接継手31では、下側部品3の表面に傾斜面部7があり(図2(b)及び図6)、上側部品9の板厚方向とほぼ平行に亀裂が伝播するため、傾斜面部7においては板厚方向とは斜めに亀裂が伝播して、伝播長が従来の重ね隅肉アーク溶接継手11より長くなる。その結果、本発明の重ね隅肉アーク溶接継手31は、従来の重ね隅肉アーク溶接継手11より疲労寿命が向上する。
なお、本発明の参考形態と同様、図4に示すサスペンションアーム21のように、重ね代を設けて2部品を嵌合してアーク溶接した接合部品において、上側部品25の縦壁部の端部と下側部品23の接合部27に本実施の形態に係る重ね隅肉アーク溶接継手31を適用することで、前記接合部品の疲労強度を向上することができる。
本発明の参考形態に係る重ね隅肉アーク溶接継手の作用効果について確認するための実験を行った。これについて以下に説明する。
本実施例1では、本発明の参考形態に係る重ね隅肉アーク溶接継手1(図2(b)参照)又は従来の重ね隅肉アーク溶接継手11(図2(a)参照)により接合された2枚の鋼板から成る疲労試験片による基礎疲労試験を行い、疲労強度を評価した。
疲労試験片は、板厚t=2.6mmの780MPa級熱延鋼板を供試材とし、以下の手順で作製した。
まず、前記供試材から300mm×100mmの寸法の鋼板片を複数切り出した。そして、切り出した鋼板片の長辺側(300mm)の端部と並行にビード状の屈曲凸部を形成した。
次に、図7に示すように、切り出したままの鋼板片43と、屈曲凸部5を形成した鋼板片45とを重ね合わせて鋼板片43の端部に沿ってアーク溶接することで、本発明の参考形態に係る重ね隅肉アーク溶接継手1(図2(b)参照)で接合された試験体を作製した。作製された試験体から図8に示す形状の疲労試験片41を採取し、疲労試験を行った。
溶接条件は、溶接電流180A、電圧22.5V、トーチ速度80cm/min、シールドガスはAr−20%CO2とし、溶接ワイヤには直径1.2mmの780MPa級高張力鋼用を使用した。
さらに、疲労試験は片振り平面曲げで行い、前記疲労試験片の溶接ビードが下側を向くように前記試験機に設置し。このとき、上板を試験機の駆動アーム側に、下板を試験機の計測スイングアーム側に固定し、下板の板厚中央が曲げ中立面となるように疲労試験片41を設置した。前記駆動アームを介して疲労試験片41に目標応力が加えられるように繰返し荷重を与え、疲労試験片41に亀裂が発生するまで試験を行った。疲労試験片41に加えられる応力は、前記計測スイングアームを介して計測されたモーメントと、疲労試験片41の板厚及び板幅(上板と下板の平均値)より求めた。
疲労試験条件は応力比0(片振り)、試験周波数20Hzとし、該疲労試験は最長1000万回で打ち切った。
同様に、比較例として、供試材から切り出したままの2枚の鋼板片を重ね合わせ、一方の鋼板片の端部と他方の鋼板片の表面とをアーク溶接により線状に接合した従来の重ね隅肉アーク溶接継手11(図2(a)参照)を有する疲労試験片を採取し、疲労試験を行った。
溶接条件及び疲労試験条件は疲労試験片41の場合と同じとした。
本実施例1では、図10に示す屈曲凸部5の形状を変化させて、重ね隅肉アーク溶接継手1の疲労強度を検討した。
ここで、屈曲凸部5の形状は、図10に示すように、屈曲凸部5の高さh1、屈曲凸部5において溶接されない側の立ち上がり部5aの曲率半径ρ1、立ち上がり部5aの立ち上がり角度θ1、溶接されない側の頂上部の曲率半径ρ2、頂上部のR終わり部と立ち上がり部5aの幅Wp、屈曲凸部5の幅Wbで規定した。
表1にプレス成形により形成したビード状の屈曲凸部5の形状を示す。
なお、表1における比較例(No.10)は、図2(a)に示すような従来の重ね隅肉アーク溶接継手11を有する疲労試験片である。
図11に、繰り返し数300万サイクルでの疲労強度(応力振幅)の試験結果を示す。
従来の重ね隅肉アーク溶接継手11である比較例No.10に比べて、本発明の参考例であるNo.1〜No.9はいずれも疲労強度が向上した結果となった。
ここで、参考例において、No.1、2、4、5、6では溶接止端部1aに、No.3、7、8、9では屈曲凸部5の立ち上がり部5aに疲労亀裂が生じた。
屈曲凸部5の高さh1が異なるNo.1からNo.3において、高さh1の増大に伴い溶接止端部1aへの応力集中が低減して疲労強度が向上した。本実施例において屈曲凸部5の高さが最も高いNo.3では溶接止端部1aに疲労亀裂が発生せず、屈曲凸部5の立ち上がり部5aへの応力集中により疲労亀裂が生じた。
屈曲凸部5の立ち上がり部5aにおける曲率半径ρ1が異なるNo.4からNo.6において、曲率半径ρ1の増大に伴い立ち上がり部5aにおける応力集中が低減し、溶接止端部1aに疲労亀裂が発生した。No.4からNo.6における屈曲凸部5の高さh1は溶接止端部1aにおける応力集中が低いNo.3の場合と同じであり、No.4からNo.6においては溶接止端部1aにおける応力集中が低いため、いずれも良好な疲労強度を示した。
また、No.4からNo.6は、立ち上がり部5aにおける曲率半径ρ1がNo.1からNo.3の場合における曲率半径ρ1=0.8mmよりも大きいものであり、曲率半径ρ1=0.8mm以上では良好な疲労強度が得られた。
No.9は高さh1が良好な条件であったため、屈曲凸部5の立ち上がり部5aから疲労亀裂が発生しており、曲率半径ρ1が0.5mmと低いが、従来の重ね隅肉アーク溶接継手である比較例(No.10)より高い疲労強度を示した。
屈曲凸部5における立ち上がり部5aの立ち上がり角度θ1が異なるNo.7と、溶接されない側の頂上部の曲率半径ρ2が異なるNo.8では、疲労亀裂の発生位置が屈曲凸部5の立ち上がり部5aであったため、どちらも良好な疲労強度を示した。
以上より、接合に供される2枚の板のうち、一方の板の端部と他方の板の表面を前記一方の板の端部に沿って溶接する際に、一方の板の端部に並行し、他方の板の表面側に突出したビード状の屈曲凸部の頂上部に溶接止端部が位置することで、疲労強度が向上することが実証された。
本実施例2では、図12(a)に示す本発明に係る重ね隅肉アーク溶接継手31で接合された疲労試験片による基礎疲労試験を行い、疲労特性を評価した。
実施例1と同様に、本発明に係る重ね隅肉アーク溶接継手31で接合された疲労試験片は、板厚t=2.6mmの780MPa級熱延鋼板を供試材とし、以下の手順で作製した。
まず、前記供試材から300mm×100mmの寸法の鋼板片を複数切り出した。そして、切り出した鋼板片の長辺側(300mm)の端部と並行となるように、ベンダーを用いた曲げ成形によりビード状の屈曲凸部を形成し、鋼板片とした。
次に、図7に示すように、切り出したままの鋼板片43と、屈曲凸部5を形成した鋼板片45とを重ね合わせ、一方の溶接止端部31aが屈曲凸部5の溶接される側の傾斜面部7に位置するように鋼板片43の端部に沿ってアーク溶接し、本発明に係る重ね隅肉アーク溶接継手で接合された試験体を作製した。作製された試験体から、図8に示す疲労試験片41と同一形状の疲労試験片を採取した。
同様に、比較例として、前記供試材から切り出したままの2枚の前記鋼板片を重ね合わせ、一方の鋼板片の端部と他方の鋼板片の表面とをアーク溶接により線状に接合することで、従来の重ね隅肉アーク溶接継手11(図12(b)参照)で接合された試験体を作製した。作製された試験体から、図8に示す疲労試験片41と同一形状の疲労試験片を採取した。
図12に本発明例の疲労試験片(図12(a))及び比較例の疲労試験片(図12(a))における溶接ビード付近の断面図を示す。
図12(a)に示す本発明例の疲労試験片において、成形した屈曲凸部5により設けられた傾斜面部7の高さ(深さ)Dは供試材の板厚t2と等しい2.3mmであり、屈曲凸部5により形成される傾斜面部7の傾斜角度θは45°、鋼板片43の端部と鋼板片45の屈曲凸部5の立ち上がり部5aとの距離L1は2mm、鋼板片43と鋼板片45の重ね代L2は5mmとした。
図12(b)に示す比較例の疲労試験片においても、2枚の鋼板片43同士の重ね代L2は5mmとした。
溶接ビード幅Wは、本発明例と比較例において同じとなるように5.5mm又は7mmとした。
本発明例及び比較例におけるアーク溶接条件はともに、溶接電流を185A又は205A、電圧を19V又は23V、溶接速度を85cm/min、シールドガスをAr−20%CO2とし、直径1.2mmの780MPa級高張力鋼を使用した。
アーク溶接条件を表2に示す。
疲労試験は、実施例1と同様に、片振り平面曲げで行い、前記疲労試験片の溶接ビードが下側を向くように前記試験機に設置した。このとき、上板を試験機の駆動アーム側に、下板を試験機の計測スイングアーム側に固定し、下板の板厚中央が曲げ中立面となるように疲労試験片41を設置した。前記駆動アームを介して疲労試験片41に目標応力が加えられるように繰返し荷重を与え、疲労試験片41に亀裂が発生するまで試験を行った。疲労試験片41に加えられる応力は、前記計測スイングアームを介して計測されたモーメントと、疲労試験片41の板厚及び板幅(上板と下板の平均値)より求めた。
疲労試験条件は応力比0(片振り)、試験周波数20Hzとし、該疲労試験は最長1000万回で打ち切った。
疲労試験結果を前記した表2に示す。前述のとおり、本発明例は図12(a)に示す、傾斜面部に溶接止端部がある重ね隅肉アーク溶接継手で接合された疲労試験片の試験結果である。
一方、比較例は図12(b)に示す従来技術の重ね隅肉アーク溶接継手で接合された疲労試験片の試験結果である。
表2より、溶接条件に関わらず、各目標応力毎に比べると、本発明例は比較例の疲労寿命を大きく上回る結果となった。
1 重ね隅肉アーク溶接継手
1a 溶接止端部(下側部品側)
1b 溶接止端部(上側部品側)
3 下側部品
3a 縦壁部
5 屈曲凸部
5a 立ち上がり部
9 上側部品
9a 縦壁部
11 重ね隅肉アーク溶接継手
11a 溶接止端部(下側部品側)
11b 溶接止端部(上側部品側)
13 下側部品
13a 縦壁部
21 サスペンションアーム
23 下側部品
25 上側部品
27 接合部
31 重ね隅肉アーク溶接継手
31a 溶接止端部
31b 溶接止端部
41 疲労試験片
43 鋼板片
45 鋼板片

Claims (1)

  1. 2枚の板を重ねて、一方の板の端部と他方の板の表面を前記一方の板の端部に沿って溶接した重ね隅肉アーク溶接継手であって、
    前記他方の板の前記表面側に突出したビード状の屈曲凸部を設け、該屈曲凸部の傾斜面部のうち、前記一方の板の端部と溶接される側の前記傾斜面部に溶接止端部が位置することを特徴とする重ね隅肉アーク溶接継手。
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