JP6420942B2 - 溶接方法および溶接品 - Google Patents

Description

本発明は、溶接方法および溶接品に関する。

従来、溶接品質向上のための様々な試みがなされている。例えば特許文献１に記載された互いに溶接されたリングギヤおよびデフケースは、これらの周方向に沿って形成された溶接部の径方向幅内にリングギヤが受ける荷重の中心部が位置するように形作られている。これによって溶接部に無理な荷重が作用することが防止されるため、溶接部の耐荷重性能が高められる。

特開２０１１−４７４２０号公報

これに対し、本発明者らは、さらなる溶接品質向上のため、上述のような部材形状の工夫による溶接部の特性改善とは別に、溶接部の組織制御による溶接割れの防止について鋭意検討した。本発明者らは、特に、例えばリングギヤおよびデフケースのような互いに炭素含有量の異なる部材同士を溶接する場合における、溶接部の組織制御による溶接割れの防止について鋭意検討した。

本発明は、このような検討の結果なされたものであり、溶接部の組織制御によって効果的に溶接割れを防止できる溶接方法および溶接品を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の溶接方法は、炭素含有量の異なる部材同士を溶接する溶接工程を有する。溶接工程では、部材同士を突き合せた突き合せ部に溶接用金属材料が供給されるとともに、突き合せ部から炭素含有量の少ない一方の部材側にずれた位置にビームが照射されることによって部材同士が溶接される。

上記目的を達成するための本発明の溶接品は、炭素含有量の異なる部材同士および溶接用金属材料が溶融して形成された溶接部を有する。溶接部は、部材同士が突き合された突き合せ部から炭素含有量の少ない一方の部材側にずれて位置する。

上記構成を有する溶接方法によれば、突き合された部材のうち炭素含有量の少ない一方の側にずれた位置にビームが照射され、また、上記構成を有する溶接品においては炭素含有量の少ない一方の側にずれた位置に溶接部が形成される。このため溶接部の炭素含有量が抑えられる。その結果、溶接部において脆性組織であるマルテンサイトが抑制されるとともに延性組織であるオーステナイトが増加するため、溶接割れを効果的に防止できる。

実施形態の溶接方法および溶接品を説明するための実施形態の溶接品の概略構成図である。 溶接前の図１の２−２線に沿う断面図である。 図１の３方向からの矢視図である。 図３の４−４線に沿う断面図である。 溶接後の図１の２−２線に沿う断面図である。 実施例の溶接品の図２および図５に対応した要部を拡大して示す断面図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率と異なる。

図１において概説すると、本実施形態の溶接方法によって、異種材によって形成されたリングギヤ１１およびデフケース１２（炭素含有量の異なる部材）が溶接され、リングギヤ１１およびデフケース１２が接合した溶接品１０が作製される。

リングギヤ１１は、デフケース１２を形成する材料よりも炭素含有量の少ない材料によって形成される。リングギヤ１１は、例えば鋼材によって形成される。鋼材は、例えばＪＩＳ規格に規定されたＳＣｒ４１７Ｈ、ＳＣｒ４２０Ｈ、ＳＣＭ４２０Ｈ、ＳＣＭ４１８Ｈ、ＳＮＣＭ４２０Ｈ等である。デフケース１２は、例えば鋳鉄材によって形成される。鋳鉄材は、例えばＪＩＳ規格に規定されたＦＣＤ４５０、ＦＣＤ６００、ＦＣＤ７００、ＦＣＤ８００等である。

リングギヤ１１とデフケース１２とを突き合せた突き合せ部１３に溶接ワイヤＷ（溶接用金属材料）が供給されるとともにレーザビームＢが照射されることによって、リングギヤ１１およびデフケース１２は溶接される。突き合せ部１３は、リングギヤ１１およびデフケース１２に備えられた同軸的に配置される円周部１４、１５を突き合せて形成される。

レーザビームＢは、突き合せ部１３に近接して配置されたノズルＮから出射される。レーザビームＢは、発振器によって発振された後、集光レンズ等を含む集光光学系を経てノズルＮから出射される。レーザビームＢは、例えばＣＯ_２レーザであるが、これに限定されない。レーザビームＢは、例えばＹＡＧレーザであってもよい。ノズルＮは、ガスの流路を備え、アルゴンや窒素等のシールドガスを吹き出してもよい。

図２に示すように、デフケース１２は回転軸に沿う方向に突出した突部１６を有する。リングギヤ１１は、突部１６が嵌合する孔１７を有する。リングギヤ１１およびデフケース１２は、突部１６および孔１７を嵌合させて接続する。デフケース１２は、モータ等を備える回転駆動装置に接続される。リングギヤ１１はデフケース１２とともに一体的に回転する。ノズルＮは固定されている。

溶接の際、レーザビームＢの出射位置および出射方向は固定されたまま、図３に示すようにリングギヤ１１およびデフケース１２が周方向に回転する。レーザビームＢの照射位置が円周部１４、１５の周方向に相対的に移動しつつリングギヤ１１およびデフケース１２は溶接される。リングギヤ１１およびデフケース１２は円周部１４、１５の全周で溶接される。

溶接ワイヤＷは、溶接ワイヤＷが巻回されたワイヤリールから溶接ワイヤＷを送り出すワイヤ送給機構によって供給される。溶接ワイヤＷはリングギヤ１１およびデフケース１２の回転に合わせて順次供給される。

溶接ワイヤＷはニッケルを含む。溶接ワイヤＷのニッケルの含有量は好ましくは１０質量％以下であるが、これに限定されず１０質量％より多くてもよい。溶接ワイヤＷを形成する材料は、例えばＪＩＳ規格に規定されたＹ３０８、Ｙ３１０等Ｎｉを含有する溶接ワイヤである。

レーザビームＢの照射位置およびその近傍は、ＣＣＤカメラ等の撮影装置Ｃによって撮影される。溶接の間、作業者は、撮影装置Ｃによって撮影された画像を液晶ディスプレイ等の表示装置で確認する。リングギヤ１１およびデフケース１２は、レーザビームＢの照射位置が監視されつつ溶接される。

図４に示すように、レーザビームＢの照射位置は、突き合せ部１３から炭素含有量の少ないリングギヤ１１側にずれている。このため、図５に示すように、レーザビームＢの照射によってリングギヤ１１、デフケース１２、および溶接ワイヤＷが溶融して形成される溶接部１８は、突き合せ部１３からリングギヤ１１側にずれて位置する。

本実施形態の作用効果を述べる。

本実施形態の溶接方法によれば、リングギヤ１１およびデフケース１２のうち炭素含有量の少ないリングギヤ１１側にずれた位置にレーザビームＢが照射され、また、溶接品１０においては炭素含有量の少ないリングギヤ１１側にずれた位置に溶接部１８が形成される。このため、溶接部１８の炭素含有量が抑えられる。その結果、溶接部１８において脆性組織であるマルテンサイトが抑制されるとともに延性組織であるオーステナイトが増加するため、溶接割れを効果的に防止できる。溶接部１８の炭素量とオーステナイトとの相関関係は、シェフラー状態図から予測される。

レーザビームＢの照射位置を監視しつつ溶接することによって、照射位置がデフケース１２側に逸れることなく、レーザビームＢはリングギヤ１１側にずれた位置に確実に照射される。このため、回転軸まわりに形成される環状の溶接部１８の全体で溶接部１８は炭素含有量の少ないリングギヤ１１側にずれて形成される。従って、溶接部１８の全体で溶接割れが効果的に抑制されて部材同士が確実に接合される。

本実施形態と異なり、リングギヤ１１およびデフケース１２を回転することなく固定し、レーザビームＢの出射位置および出射方向、ならびに溶接ワイヤＷの供給位置を変化させつつ周方向に溶接する場合、ノズルＮおよび溶接ワイヤＷ等を移動させる駆動装置ならびにこれらを制御する制御装置が必要である。そのため溶接装置が複雑になる虞がある。一方、本実施形態では、レーザビームＢの出射位置および出射方向を固定したままリングギヤ１１およびデフケース１２を周方向に回転させることによって溶接するため、レーザビームＢを移動させて溶接する場合のような大掛かりな装置が必要なく、従って溶接装置を簡単にできる。

溶接ワイヤＷがニッケルを含むことによって、溶接部１８で延性組織であるオーステナイトが増加するため、溶接割れをより効果的に防止できる。

ニッケルの含有量が１０質量％以下である溶接ワイヤＷを用いることによって、材料費が抑えられるため、製造コストを抑制できる。本実施形態ではレーザビームＢの照射位置の制御によって溶接部１８の炭素含有量が抑えられるため、溶接ワイヤＷに含まれるニッケルの量が少なくても溶接部１８でオーステナイトが増加する。従ってコストを抑えつつ溶接割れを効果的に防止できる。

＜実施例＞
本発明者らは、図６に示すような、互いに突き合されたとき回転軸まわりに環状の隙間２４が部材間で形成されるリングギヤ２１とデフケース２２とを実際に溶接して溶接品２０を作製した。隙間２４以外の構成については、実施例は実施形態と略同様である。

リングギヤ２１を形成する材料は、肌焼き鋼としてＪＩＳ規格に規定されたＳＣＭ４１８Ｈである。デフケース２２を形成する材料は、黒鉛鋳鉄としてＪＩＳ規格に規定されたＦＣＤ７００である。本発明者らは、ＪＩＳ規格に規定されたＹ３０８によって形成された溶接ワイヤＷを用いた。照射するレーザビームＢは、ＣＯ_２レーザである。

本発明者らは、リングギヤ２１およびデフケース２２の回転軸に沿って位置をずらして設定した複数の照射位置のそれぞれでレーザビームＢの出力を変えて溶接した。レーザビームＢの照射によってリングギヤ２１、デフケース２２、および溶接ワイヤＷが溶融して形成される溶接部２５の強度、溶接部２５における破断の有無、溶接部２５の硬さ、および溶接部２５の深さに関し、レーザビームＢの出力および照射位置に応じて異なる結果が得られた。下の表１〜表４にその結果を示す。

表１〜表４に記載されたレーザビーム照射位置は、リングギヤ２１とデフケース２２との突き合せ部２３からの回転軸に沿う方向の離隔距離である。

表１〜表４でレーザビーム照射位置が正の場合、レーザビームＢの照射位置は突き合せ部２３よりもリングギヤ２１側に位置する。例えばレーザビーム照射位置が０．２ｍｍの場合、突き合せ部２３から軸方向に０．２ｍｍリングギヤ２１側にずれた位置にレーザビームＢは照射される。

表１〜表４でレーザビーム照射位置が負の場合、レーザビームＢの照射位置は突き合せ部２３よりもデフケース２２側に位置する。例えばレーザビーム照射位置が−０．２ｍｍの場合、突き合せ部２３から軸方向に０．２ｍｍデフケース２２側にずれた位置にレーザビームＢは照射される。

表１は、溶接部２５の硬化後の強度について得られた結果を示す。表１の〇は、溶接部２５の強度がデフケース２２の強度以上であることを表す。デフケース２２の強度はリングギヤ２１の強度に比べ低い。表１の×は、溶接部２５の強度がデフケース２２の強度より小さいことを表す。表中の斜線部分については溶接を行っておらず、これは表２〜表４についても同様である。

表１の結果から、炭素含有量が相対的に少ないリングギヤ２１側にレーザビームＢを照射して溶接すると、炭素含有量が相対的に多いデフケース２２側にレーザビームＢを照射して溶接する場合に比べ、強度の高い溶接部２５が得られることが分かる。

表２は、硬化後の溶接部２５における破断の有無について得られた結果を示す。表２の○は、溶接部２５で破断が生じなかったことを示す。表２の×は溶接部２５で破断が生じたことを示す。

表２の結果から、炭素含有量が相対的に少ないリングギヤ２１側にレーザビームＢを照射して溶接することによって、溶接部２５の破断を防止できることが分かる。

表３は、硬化後の溶接部２５の硬さについて得られた結果を示す。表３の○は、溶接部２５の硬さがビッカース硬さで４００Ｈｖ以下であることを示す。表３の×は、溶接部２５の硬さがビッカース硬さで４００Ｈｖより大きいことを示す。

表３の○で示された溶接部２５の硬さが４００Ｈｖ以下の場合、溶接部２５はマルテンサイトよりもオーステナイトを多く含む。表３の×で示された溶接部２５の硬さが４００Ｈｖより大きい場合、溶接部２５はオーステナイトよりもマルテンサイトを多く含む。

表３の結果から、炭素含有量が相対的に多いデフケース２２側にレーザビームＢを照射して溶接する場合に比べ、炭素含有量が相対的に少ないリングギヤ２１側にレーザビームＢを照射して溶接することによって、溶接部２５に含まれるオーステナイトが増加することが分かる。

溶接部２５が延性組織であるオーステナイトをマルテンサイトよりも多く含むことによって、溶接割れが効果的に防止される。レーザビームＢの照射位置が突き合せ部２３から炭素含有量の相対的に少ないリングギヤ２１側に離隔するほど、溶接部２５で炭素含有量が減少してオーステナイトが増加するため、溶接割れをより効果的に防止できる。

表４は、硬化後の溶接部２５の深さについて得られた結果を示す。表４の○は、溶接部２５の深さが深く、溶接部２５がリングギヤ２１およびデフケース２２の外表面から隙間２４まで突き合せ部２３を完全に貫通して形成されたことを示す。表４の△は、溶接部２５が隙間２４に達したが突き合せ部２３を完全には貫通していない場合を示す。表４の×は、溶接部２５が隙間２４に達することなく突き合せ部２３を貫通しない場合を示す。

表４の結果から、炭素含有量が相対的に少ないリングギヤ２１側にレーザビームＢを照射して溶接することによって、溶接部２５を深く形成できることが分かる。溶接部２５が深く形成されると、部材同士が強固に接合される。

表１〜表４の結果から、レーザビームＢの照射位置は、好ましくは、突き合せ部２３よりもリングギヤ２１側で、かつ突き合せ部２３からリングギヤ２１側に０．２ｍｍずれた位置までの間であり、より好ましくは、突き合せ部２３からリングギヤ２１側に０．２ｍｍずれた位置であることが分かった。

突き合せ部２３からリングギヤ２１側に０．２ｍｍずれた位置でレーザビームＢが照射されることによって、表１〜表４の結果のとおり、溶接部２５の破断および溶接割れを効果的に防止でき、また溶接部２５を深く形成して部材同士の接合を強固にできる。

本発明は、上述した実施形態および実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変できる。

例えば、溶接される部材は、互いに炭素含有量の異なる部材であればリングギヤおよびデフケースに限定されず、他のものであってもよい。

また、実施形態および実施例では、レーザビームの出射位置および出射方向を固定したままリングギヤおよびデフケースを周方向に回転させることによって溶接したが、これに限定されない。本発明は、リングギヤおよびデフケースを回転することなく固定し、レーザビームの出射位置および出射方向を変化させつつ周方向に溶接する形態を含む。また、ビームは、レーザビームに限定されず、電子ビームであってもよい。

１０、２０ 溶接品、
１１、２１ リングギヤ（炭素含有量の少ない一方の部材）、
１２、２２ デフケース（他方の部材）、
１３、２３ 突き合せ部、
１４ 円周部、
１５ 円周部、
１６ 突部、
１７ 孔、
１８、２５ 溶接部、
２４ 隙間、
Ｂ レーザビーム（ビーム）、
Ｃ 撮影装置、
Ｎ ノズル、
Ｗ 溶接ワイヤ（溶接用金属材料）。

Claims (4)

1. 炭素含有量の異なる部材にまたがって形成された溝である開先部に位置し前記部材同士が突き合わされた突き合せ部に、ニッケルを含む溶接用金属材料を供給するとともに、前記突き合せ部から炭素含有量の少ない一方の前記部材側にずれた、前記突き合せ部とは反対側の前記開先部の端部にビームを照射し、前記部材同士をマルテンサイトよりもオーステナイトを多く生成させて溶接する溶接工程を有する、溶接方法。
2. 前記ビームの照射位置を監視しつつ溶接する、請求項１に記載の溶接方法。
3. 前記突き合せ部は、前記部材同士の同軸的に配置される円周部を突き合せて形成され、前記溶接工程において、前記ビームの出射位置および出射方向を固定したまま前記部材を前記円周部の周方向に回転させることによって、前記ビームの照射位置を前記円周部の周方向に相対的に移動させつつ溶接する、請求項１または請求項２に記載の溶接方法。
4. 前記ニッケルの含有量は１０質量％以下である、請求項１〜請求項３のうちのいずれか１つに記載の溶接方法。

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