JP4698199B2 - 閉断面溶接構造体及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用フレーム、自動車用衝突吸収部材、その他の構造部材として使用されるアルミニウム合金製の閉断面溶接構造体及びその製造方法に関する。

従来から、自動車用フレーム、自動車用衝突吸収部材、その他の構造部材として鉄系部材が多用されている。ところで、これらの構造部材を軽量化することを目的としてアルミニウム材又はアルミニウム合金材の適用が検討されている。なかでも、長手方向にわたって断面形状を自由に設計することができる板溶接構造部材の適用が検討されている。例えば、板材をプレスで断面「コ」の字状に成型した素材同士を溶接することによって形成された閉断面を有する閉断面溶接構造体が注目されている。

このような閉断面溶接構造体に関する従来技術として例えば特開２００３−１７５８５８号公報が挙げられる。図４は上記先行技術文献に開示された従来技術を示す斜視図、図５はその縦断面図である。

図４及び図５において、この溶接構造体における第１フレーム部材２１はアルミニウム合金板の幅方向の両端部を断面形状が「コ」字状になるように湾曲した形状を有している。第１フレーム部材２１の内面に位置決め部材２４が溶接により接合されている。位置決め部材２４はアルミニウム合金板の１方向の両端部を断面形状が「コ」の字状になるように湾曲した形状を有しており、その両端部の外側面の間隔は、第１フレーム部材２１の内側面の間隔と等しくなっている。位置決め部材２４はその外面全体が第１フレーム部材２１の内面に嵌合するように第１フレーム部材２１内に配置され溶接により接合されている。位置決め部材２４の両端部の先端は第１フレーム部材２１の両端部の先端よりも低くなっており、この高さの差は第２フレーム部材２２が第１フレーム部材２１内に入り込む長さと等しくなっている。

アルミニウム合金板からなる連結部材２５が位置決め部材２４の内面に対して垂直に溶接により接合されている。連結部材２５の平面形状は位置決め部材２４の断面形状における内面の輪郭と一致している。従って、連結部材２５により、位置決め部材２４の両端部が連結されている。

第２フレーム部材２２はアルミニウム合金板の幅方向の両端部を断面形状が「コ」の字状になるように湾曲した形状を有しており、第２フレーム部材２２の両端部の外側面の間隔は第１フレーム部材２１の両端部の内側面の間隔と一致している。アルミニウム合金板からなる連結部材２６が第２フレーム部材２２の内面に対して垂直に溶接により接合されている。連結部材２６の平面形状は第２フレーム部材２２の断面形状における内面の輪郭と一致している。従って、連結部材２６により第２フレーム部材２２の両端部が連結されている。

第２フレーム部材２２の両端部の外側面を第１フレーム部材２１の両端部の内側面に重ね、第２フレーム部材２２の両端部の先端部を第１フレーム部材２１の内面に溶接された位置決め部材２４の先端部に当接するように嵌合させ、この状態で、第１フレーム部材２１の端部を第２フレーム部材２２の外側面に重ねすみ肉溶接して閉断面溶接構造体が形成される。

特開２００３−１７５８５８号公報

しかしながら、上記従来技術には、溶接構造体の溶接部の端部に、被溶接材が未溶接のまま露出する場合があり、溶接端部に被溶接材が未溶接のまま露出した溶接構造体をそのまま複数組み付けてフレーム構造体を形成した場合、組み付け時の荷重又は使用時の荷重が溶接最端部に集中することによって溶接最端部から疲労亀裂が発生するという問題点がある。図６は、重ねすみ肉溶接した溶接構造体の応力集中部を示す説明図である。図６において、外部被溶接材１１と内部被溶接材１２とが上述した従来技術と同様に重ねすみ肉溶接されている。重ねすみ肉溶接部分１３の端部に被溶接材の未溶接部分が露出しており、この部分が応力集中部１４となる。この応力集中部１４から疲労亀裂が発生し易い。

このような問題点を解消するために、すみ肉溶接を延長して回し溶接を行い、これによって未溶接部分を溶接部の端部に露出させないような工夫がなされている。図７はこのような回し溶接を示す説明図である。図７において、外側被溶接材１１と内側被溶接材１２との溶接部の端部が回し溶接され、回し溶接部１５が形成されている。外側及び内側の被溶接材１１、１２の端部は溶接金属で覆われている。

しかしながら、このような回し溶接は、閉断面を有する溶接構造体の長手方向中央部におけるトーチの取り回しが困難であることから、その部分におけるミグ自動溶接を行うことが非常に困難であるという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、溶接部の端部における被溶接金属が未溶接のまま露出することに起因して発生する応力集中をなくし、溶接部端部における疲労強度を高めることができる閉断面溶接構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。なお、本願明細書において、アルミニウム合金には純アルミニウムが含まれるものとする。

本発明に係る閉断面溶接構造体は、アルミニウム合金製の断面「Ｕ」字状の第１部材と、アルミニウム合金製の断面「Ｕ」字状の第２部材とを、前記第１部材の幅方向の両端部の内面と前記第２部材の幅方向の両端部の外面とを重ね合わせて、前記第１部材の幅方向の端面と前記第２部材の幅方向の端部の外面との角部により形成される溶接線をすみ肉溶接し、前記第１部材及び前記第２部材の長手方向の両端面を前記溶接線から回し溶接することなく、閉断面構造を得る閉断面溶接構造体において、前記第１部材と前記第２部材との重ね代は、前記第１部材及び第２部材の長手方向に沿う溶接線の中央部よりも前記溶接線の端部の方が小さく、前記溶接線の両端部にて前記第１部材及び前記第２部材の長手方向の端面における前記第１部材と前記第２部材とが重なった線に未溶接部が存在しないことを特徴とする。

本発明に係る閉断面溶接構造体の製造方法は、アルミニウム合金製の断面「Ｕ」字状の第１部材と、アルミニウム合金製の断面「Ｕ」字状の第２部材とを、前記第１部材の幅方向の両端部の内面と前記第２部材の幅方向の両端部の外面とを重ね合わせて前記第１部材の幅方向の端面と前記第２部材の幅方向の端部の外面との角部により形成される溶接線をすみ肉溶接し、前記第１部材及び前記第２部材の長手方向の両端面を前記溶接線から回し溶接することなく、閉断面構造を得る閉断面溶接構造体の製造方法において、前記第１部材及び第２部材の長手方向に沿う溶接線の端部における前記第１部材と前記第２部材との重ね代を、前記第１部材及び第２部材の長手方向に沿う溶接線の中央部における前記第１部材と前記第２部材との重ね代よりも小さくして、前記溶接線をすみ肉溶接することにより、前記溶接線の両端部にて前記第１部材及び前記第２部材の長手方向の端面における前記第１部材と前記第２部材とが重なった線に未溶接部が発生することを防止することを特徴とする。

上述の閉断面溶接構造体及び閉断面溶接構造体の製造方法において、前記第１部材又は第２部材の溶接線の方向の端部の角部が切除されて前記重ね代が小さくなっていることが好ましい。また、前記第１部材又は第２部材の溶接線方向の端部の肉厚が溶接線中央部の肉厚よりも薄いことが好ましい。

本発明に係る閉断面溶接構造体によれば、前記第１部材と第２部材との重ね代は、前記第１部材及び第２部材の長手方向に沿う溶接線の中央部よりも前記溶接線の端部の方が小さいので、溶接部端部において表裏のアルミニウム合金材の殆ど全てが良好に溶込み、溶接されず未溶接のまま残存して露出するアルミニウム合金材量が著しく低減する。従って、溶接部端部への応力の集中を回避して疲労強度を高めることができる。また、回し溶接の必要がなくなるので、溶接自体が容易となる。

本願の請求項２に係る閉断面溶接構造体によれば、前記第１部材又は第２部材溶接線の方向の端部の角部が切除されて重ね代が小さくなっているので、溶接部端部において、未溶接のまま残存するアルミニウム合金材量が低減し、これによって、重ね合わせ部端部への応力の集中を回避して疲労強度を高めることができる。

本願の請求項３に係る閉断面溶接構造体によれば、第１部材又は第２部材の溶接線方向の端部の肉厚が溶接線中央部の肉厚よりも薄いので、溶接による良好な溶け込みを得やすく、重ね合わせ部における未溶接のまま残存するアルミニウム合金材量を低減することができる。従って、重ね合わせ部における応力の集中を回避して疲労強度を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るアルミニウム合金製の溶接構造体の斜視図である。

図１において、第１フレーム部材１はアルミニウム合金板の幅方向の両端を断面形状が「Ｕ」の字状になるように湾曲された形状を有している。また第２フレーム部材２も第１フレーム部材１と同様、アルミニウム合金板の幅方向の両端部を断面形状が「Ｕ」の字状になるように湾曲された形状を有している。

第２フレーム部材２の対向する両端部の外側面の間隔は第１フレーム部材１の両端部の内側面の間隔と一致している。また、第１フレーム部材１と第２フレーム部材２との重ね合わせ部である重ね代３の端部における第２フレーム部材２の両端部の角部が切除されている。即ち、第１フレーム部材１と第２フレーム部材２との重ね代３の内側部材の角部が切除され、切除部４が形成されている。

第１フレーム部材１の両端部間に、第２フレーム部材２の両端部の外側面を重ねるように嵌合した重ね代３の第１フレーム部材１の両端部を第２フレーム部材２の両端部の外側面に重ねすみ肉溶接して両部材を接合し、溶接接合体とする。なお、図１において、重ねすみ肉溶接のビードは図示省略されている。

次に、上述の如く構成された本実施形態に係るアルミニウム合金製の溶接構造体の動作について説明する。第１フレーム部材１と第２フレーム部材２との重ね代３の端部における第２フレーム部材２の両端部の角部の一部を切除したので、この状態で重ね代３部分に通常の重ねすみ肉溶接を施すことにより、溶接部端部における表裏のアルミニウム合金材が良好に溶込み、溶接されず未溶接のまま残存する素材量が著しく低減する。従って、得られた溶接構造体を複数組み付けてフレーム構造体を構成した場合、未溶接金属が残存することに起因して組み付け時の荷重又は使用時の荷重が溶接最端部に集中することが回避され、これによって疲労亀裂の発生を抑制することができる。

図２は、本発明の第２実施形態を示す斜視図である。図２において、このアルミニウム合金製の溶接構造体が、第１実施形態の溶接構造体と異なるところは、切除部４を第２フレーム部材２の両端部ではなく、第１フレーム部材１の両端部に設けた点である。なお、図２においても、図１と同様、重ねすみ肉溶接のビードは図示省略されている。

第１フレーム部材１と第２フレーム部材２との重ね代３の端部における第１フレーム部材１の両端部の角部の一部を切除したので、第１実施形態と同様、重ね代３における溶接端部の素材量が溶接中央部における素材量よりも少なくなるので、溶接部端部において溶接されず未溶接のまま残存する素材量が著しく低減し、この部分における応力の集中を回避することができる。従って、この溶接構造体を複数組み付けてフレーム構造を構成した場合、組み付け時の荷重又は使用時の荷重が溶接最端部に集中することによる疲労亀裂の発生を抑制することができる。

図３は、本発明の第３実施形態を示す説明図であって、図３（ａ）は側面図、図３（ｂ）は斜視図である。図３（ａ）及び（ｂ）において、このアルミニウム合金製の閉断面溶接構造体は、第１フレーム部材１と第２フレーム部材２との重ね代３の端部における第２フレーム部材２の角部の肉厚を重ね代３の中央部の肉厚よりも薄くして薄肉部５を形成したものである。なお、図３においても、図１と同様、重ねすみ肉溶接のビードは図示省略されている。

第１フレーム部材１と第２フレーム部材２との溶接部端部における第２フレーム部材２の角部の肉厚を重ね代３の中央部の肉厚よりも薄くしたので、この重ね代３に通常の重ねすみ肉溶接を施すことにより、溶接部端部において溶接されず未溶接のまま残存する素材が低減し、この溶接構造体を複数組み付けてフレーム構造を構成した場合、組み付け時の荷重又は使用時の荷重が溶接最端部に集中することによる疲労亀裂の発生を抑制することができる。また、回し溶接の必要がなくなるので、溶接作業が容易となる。

本発明において、上記各実施形態を夫々重ね代３における第１フレーム部材１と第２フレーム部材２との位置決めを行うための位置決め部材又は連結部材を有しない場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、第１フレーム部材１又は第２フレーム部材２に、重ね合わせるための位置決め部材又は連結部材を設けることもできる。

また、本発明において、第１フレーム部材と第２フレーム部材との重ね代の端部における第１フレーム部材の角部の肉厚が重ね代の中央部の肉厚よりも薄くなるように薄肉部を設けてもよい。

本発明の閉断面溶接構造体は、複数組み付けてフレーム構造体を構成した場合、組み付け時の荷重又は使用時の荷重が溶接最端部に集中することによる疲労亀裂の発生を抑制することができるものであり、構成材料の軽量化を図る自動車製造分野で特に有用である。

第１実施形態に係る閉断面溶接構造体を示す斜視図である。 第２実施形態に係る閉断面溶接構造体を示す斜視図である。 第３実施形態に係る閉断面溶接構造体を示す説明図である。 従来技術を示す斜視図である。 図４の縦断面図である。 重ねすみ肉溶接された溶接構造体を示す斜視図である。 回しすみ肉溶接された溶接構造体を示す斜視図である。

符号の説明

１：第１フレーム部材
２：第２フレーム部材
３：重ね代
４：切除部
５：薄肉部
１１：外側被溶接材
１２：内側被溶接材
１３：重ねすみ肉溶接部
１４：応力集中部
１５：回し溶接部
２１：第１フレーム部材
２２：第２フレーム部材
２４：位置決め部材
２５：連結部材
２６：連結部材

Claims (6)

1. アルミニウム合金製の断面「Ｕ」字状の第１部材と、アルミニウム合金製の断面「Ｕ」字状の第２部材とを、前記第１部材の幅方向の両端部の内面と前記第２部材の幅方向の両端部の外面とを重ね合わせて、前記第１部材の幅方向の端面と前記第２部材の幅方向の端部の外面との角部により形成される溶接線をすみ肉溶接し、前記第１部材及び前記第２部材の長手方向の両端面を前記溶接線から回し溶接することなく、閉断面構造を得る閉断面溶接構造体において、前記第１部材と前記第２部材との重ね代は、前記第１部材及び第２部材の長手方向に沿う溶接線の中央部よりも前記溶接線の端部の方が小さく、前記溶接線の両端部にて前記第１部材及び前記第２部材の長手方向の端面における前記第１部材と前記第２部材とが重なった線に未溶接部が存在しないことを特徴とする閉断面溶接構造体。
2. 前記第１部材又は第２部材の溶接線の方向の端部の角部が切除されて前記重ね代が小さくなっていることを特徴とする請求項１に記載の閉断面溶接構造体。
3. 前記第１部材又は第２部材の溶接線の方向の端部の肉厚が溶接線中央部の肉厚よりも薄いことを特徴とする請求項１又は２に記載の閉断面溶接構造体。
4. アルミニウム合金製の断面「Ｕ」字状の第１部材と、アルミニウム合金製の断面「Ｕ」字状の第２部材とを、前記第１部材の幅方向の両端部の内面と前記第２部材の幅方向の両端部の外面とを重ね合わせて前記第１部材の幅方向の端面と前記第２部材の幅方向の端部の外面との角部により形成される溶接線をすみ肉溶接し、前記第１部材及び前記第２部材の長手方向の両端面を前記溶接線から回し溶接することなく、閉断面構造を得る閉断面溶接構造体の製造方法において、前記第１部材及び第２部材の長手方向に沿う溶接線の端部における前記第１部材と前記第２部材との重ね代を、前記第１部材及び第２部材の長手方向に沿う溶接線の中央部における前記第１部材と前記第２部材との重ね代よりも小さくして、前記溶接線をすみ肉溶接することにより、前記溶接線の両端部にて前記第１部材及び前記第２部材の長手方向の端面における前記第１部材と前記第２部材とが重なった線に未溶接部が発生することを防止することを特徴とする閉断面溶接構造体の製造方法。
5. 前記第１部材又は第２部材の溶接線の方向の端部の角部が切除されて前記重ね代が小さくなっていることを特徴とする請求項４に記載の閉断面溶接構造体の製造方法。
6. 前記第１部材又は第２部材の溶接線の方向の端部の肉厚が溶接線中央部の肉厚よりも薄いことを特徴とする請求項４又は５に記載の閉断面溶接構造体の製造方法。

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