JP6521050B2 - 液圧シリンダ、シリンダ装置、作業車両、及び液圧シリンダ製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液圧シリンダ、シリンダ装置、作業車両、及び液圧シリンダ製造方法に関する。さらに詳しくは、レーザを用いて溶接された液圧シリンダ、この液圧シリンダを用いたシリンダ装置、このシリンダ装置を備えた作業車両、そしてこの液圧シリンダの製造方法に関する。

シリンダを構成するシリンダチューブとヘッドカバーとを溶接で結合した流体圧シリンダが特許文献１で開示されている。

流体圧シリンダのうち油圧等を用いる液圧シリンダは、空圧のシリンダと異なり内部の作動流体が高圧になるため、所定の疲労強度を得るには、シリンダチューブとヘッドカバーとの溶接では、溶融部を深くすることが必要とされている。通常用いられている溶接法は、アーク溶接のうち、シールドガスに不活性ガスと炭酸ガスを混合して使用するＭＡＧ溶接（ＭＥＴＡＬ ＡＣＴＩＶＥ ＧＡＳ ＷＥＬＤＩＮＧ）で、シリンダチューブとヘッドカバーの合わせ部分に開先加工を施し、溶加材を加えて金属を深部まで溶融させることで、疲労強度を得るようにしている。

ＭＡＧ溶接によりシリンダチューブ２とヘッドカバー３とが溶接される際、図６に示すように、溶接強度を確保するために、溶加材用の開先をシリンダチューブ２側に設け、シリンダチューブ２の外側から内側にかけて、金属の溶融部分４が狭まるように溶接される。

しかし、液圧シリンダの内周の形状は、シリンダ内部に収められているピストンを滑らかに動作させる必要があるため、高精度に仕上げられる必要がある。ここで、疲労強度確保のために溶融部を深くするには、溶接のための入熱量を大きくする必要があるものの、この入熱量による熱変形を抑えるように、液圧シリンダのヘッドカバー等の厚さ（図６記号ｂ）は十分厚くする必要があり、それによりシリンダが長くなると共に、シリンダ全体が重くなるという問題があった。

またＭＡＧ溶接で用いられる溶加材を加えることで、溶融部の外側に不純物が付着し、そこを起点として亀裂が生じるという問題もあった。

特開２００２−２５７２３８号公報

本発明は上記事情に鑑み、シリンダ内部の形状精度を確保しながら、全体の長さを短くし、重量を軽減した液圧シリンダ、そしてこの液圧シリンダを構成要素とするシリンダ装置、このシリンダ装置を備えた作業車両、及びこの液圧シリンダの製造方法を提供することを目的とする。

第１発明の溶接型液圧シリンダは、シリンダの端部を構成するヘッドカバーと、シリンダの筒部分を構成するシリンダチューブとが、シリンダチューブの半径方向の外側から内側に向けて照射されるレーザで溶接されていることを特徴とする。
第２発明の溶接型液圧シリンダは、第１発明において、レーザによる溶融部分が、シリンダチューブの肉厚よりも奥側まで達していることを特徴とする。
第３発明の溶接型液圧シリンダは、第１発明又は第２発明において、溶接には溶加材が用いられていないことを特徴とする。
第４発明の溶接型液圧シリンダは、第１発明又は第２発明において、溶接は、レーザによる溶接と、溶加材が用いられているアーク溶接とからなるハイブリッド溶接であることを特徴とする。
第５発明の溶接型液圧シリンダは、第１発明から第４発明のいずれかにおいて、シリンダのロッドカバーが、シリンダチューブに着脱自在に設けられていることを特徴とする。
第６発明は、第１発明から第５発明に記載の溶接型液圧シリンダと、ピストンと、ピストンロッドとを用いたことを特徴とするシリンダ装置である。
第７発明は、第６発明のシリンダ装置を、伸縮可能な伸縮ブーム内に備え、シリンダ装置により、伸縮ブームの伸縮動作が行われることを特徴とする作業車両である。

第１発明によれば、ヘッドカバーとシリンダチューブとが、シリンダチューブの半径方向の外側から内側に向けて照射されるレーザにより溶接されていることにより、溶融部分が小さくなり、溶接のための入熱量が少なくなる。このように入熱量が少なくなることで、ヘッドカバーとシリンダチューブとを含む液圧シリンダが変形しにくくなり、ヘッドカバー等の厚さを薄くでき、シリンダ全体の重量を軽減することができる。
第２発明によれば、レーザ溶接による溶融部分をシリンダチューブの内周よりも内側にまで到達させることにより、溶接欠陥が生じやすい、溶融部分先端の熱影響部をヘッドカバー側に設けることができるので、溶接部分の疲労強度を高くし、シリンダの寿命を長くすることができる。
第３発明によれば、溶加材が用いられていないことにより、溶融部分と熱影響部の間に不純物が析出することが防止される。これによっても溶接部分の疲労強度を高くし、シリンダの寿命を長くすることができる。
第４発明によれば、溶接は、レーザによる溶接と、溶加材が用いられているアーク溶接と、からなるハイブリッド溶接であることにより、アーク溶接装置のみで溶接を行う場合と比較して、アーク溶接装置からシリンダへの入熱量を抑えることができ、シリンダ内の残留応力を減らすことができる。これによりシリンダの溶接ひずみを少なくし、溶接型液圧シリンダの軽量化、コンパクト化を図ることができる。このように入熱量が抑えられた場合でも、レーザによる溶接が行われるので、溶融深さを深くできる。
第５発明によれば、ロッドカバーがシリンダチューブと着脱自在に設けられていることにより、シリンダとピストンとを分離して、内部のメンテナンスを行うことができる。これにより、シリンダの寿命を長くすることができる。
第６発明によれば、シリンダ装置に、第１発明から第５発明の溶接型液圧シリンダを用いることにより、シリンダ装置の軸心方向の長さを短くでき、シリンダ装置の重量を軽減することができる。
第７発明によれば、旋回動作や起伏動作が可能な伸縮ブームを備えた作業車両に第６発明のシリンダ装置を用い、このシリンダ装置により伸縮ブームの伸縮動作を行うことにより、動作する部分の重量を軽減でき、伸縮ブーム先端のつり上げ荷重等を、シリンダ装置で軽減した重量分大きくできる。

本発明の実施形態に係るシリンダ端部の断面図である。 本発明の実施形態に係るシリンダの疲労耐久試験結果を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るシリンダを溶接するためのレーザ装置である。 本発明の第２実施形態に係るシリンダを溶接するためのレーザ装置、およびアーク溶接装置である。 本発明のシリンダを用いた作業車両の全体図である。 従来例のシリンダ端部の断面図である。

本発明の実施形態に係るシリンダ１について図面に基づき説明する。図１には本発明の実施形態に係るシリンダ１の端部の、シリンダチューブ２の軸心を含む面で切断したときの断面図を示す。

本実施形態に係るシリンダ１は、油圧による片ロッドタイプのシリンダ装置を構成するシリンダ１であって、シリンダチューブ２と、ヘッドカバー３と、ロッドカバーとを含んで構成される。シリンダチューブ２は、薄肉の円筒形状で、シリンダ１の筒部分を構成する。ヘッドカバー３は、片ロッドタイプのシリンダにおいて、ピストンロッド用の孔のない端部を構成する。ヘッドカバー３は、概略扁平な円柱形状を有し、他の機器などへ取り付けるための連結ピン孔等を備える場合がある。ロッドカバーは、シリンダ１のもう一つの端部を構成する。ロッドカバーは、中央にピストンロッドを通すための孔が設けられ、作動液体のシリンダ１外部への流出を防ぐパッキンが内部に設けられる。

シリンダ１は、シリンダチューブ２と、ヘッドカバー３とが、レーザにより溶接されている。このレーザは、シリンダチューブ２の半径方向の外側から内側に向けて照射される。レーザは、シリンダチューブ２の軸心に向けて照射されるのが好ましい。レーザ照射による金属の溶融部分の深さを深くできるからである。

シリンダチューブ２の内周側とヘッドカバー３の外周側とは、所定の公差で加工されており、溶接前に嵌め合わされる。このとき、シリンダチューブ２のヘッドカバー３側の端面と、このシリンダチューブ２の端面と向き合うヘッドカバー３側の端面には、溶接用の開先は設けない。このためシリンダチューブ２とヘッドカバー３との端面同士が接触する。

そしてシリンダチューブ２とヘッドカバー３との溶接時に、その溶接による金属の溶融部分４が、シリンダチューブ２の内周よりも内側まで達するように、レーザにより溶接される。この溶接には、溶加材は使用されない。

ヘッドカバー３とシリンダチューブ２とが、シリンダチューブ２の半径方向の外側から内側に向けて照射されるレーザにより溶接されていることにより、レーザによる溶融部分４が小さくなり、溶接のための入熱量が少なくなる。このように入熱量が少なくなることで、シリンダ１が変形しにくくなり、ヘッドカバー３等の厚さを薄くでき、シリンダ１全体の重量を軽減することができる。

より詳しく説明すると、レーザを用いると、このレーザの焦点が小さいため、大きなエネルギを小さな点に向けて照射することが可能となり、溶融部分４の広がりが小さくなる、即ちシリンダ１の軸方向の、溶融部分４の長さが短くなり、シリンダ１の内部の変形を抑えながら、ヘッドカバー３の厚さを薄くできる。また全体的な入熱量も抑えることができ、シリンダ１の熱変形が少なくなるので、この点でもヘッドカバー３の厚さ（図１記号ａ）を薄くできる。ヘッドカバー３の厚さが薄くなることで、シリンダ１全体の重量を軽減することができる。

レーザ溶接による溶融部分４が、シリンダチューブ２の内周よりも深く内側、即ちシリンダチューブ２の肉厚よりも奥側にまで達するように溶接が行われる。一般に溶接が行われると、金属が溶融した部分の周囲に熱による影響を受け、その組織や機械的性質が異なる熱影響部５が形成される。この熱影響部５は、溶接欠陥が生じやすく、繰り返し荷重を受けた場合、亀裂の始端となり強度を低下させる。レーザを用いた場合、この熱影響部５は溶融部分４の先端側に主に出現するようになり、この熱影響部５をヘッドカバー３側に形成させることができるので、溶接部分４の疲労強度を高くし、シリンダの寿命を長くすることができる。

本実施形態のシリンダ１のレーザ溶接の際、溶加材は用いられない。レーザを用いることで、母材であるシリンダチューブ２とヘッドカバー３とが直接溶融され、接合できるからである。溶加材が用いられないことで、溶融部分４と熱影響部５との間に、溶加材に用いられている不純物が析出することが防止できる。この不純物も、亀裂の始端となりえるものであり、この不純物がないことによっても溶接部分の疲労強度が高くなり、シリンダ１の寿命を長くすることができる。

図２には、本発明の実施形態に係るシリンダ１の疲労耐久試験の結果を示す。シリンダ１を用いて、シリンダ装置を構成し、シリンダ１のヘッドカバー３に、シリンダ１の軸心と垂直方向に繰り返し荷重を加えて、シリンダチューブ２とヘッドカバー３との間に亀裂が入った時の繰り返し回数を従来の溶接方法により製作したシリンダ１と比較した。繰り返し荷重の値は、定格負荷の中で、シリンダ内に発生する最大の圧力から計算で求められたものである。グラフの縦軸は、ヘッドカバー３に加えられた繰り返し荷重の大きさを表し、横軸は、亀裂が入った時の繰り返し回数を表している。従来のＭＡＧ溶接を行ったもの（丸印）と比較して、レーザ溶接を行ったもの（四角印）の寿命が、１０倍近く伸びていることがわかる。

本実施形態に係るシリンダ１を溶接するためのレーザ装置１０の構成を図３に示す。レーザ装置１０は、レーザ発振機１２からのレーザを、レーザトーチ１１からターゲット１４に照射する構成である。レーザ装置１０は、溶接に必要な出力を備え、一般にレーザ発振機１２を冷却するための冷却装置１３を備える。本実施形態ではレーザ媒質として、希土類を添加して利得を広帯域化させたファイバーを用いたファイバーレーザが用いられている。ファイバーレーザであることで、冷却装置１３等が小型化される。ただしレーザの媒体は特に限定されず、ガスレーザとして炭酸ガスレーザや、固体レーザとしてＹＡＧレーザを用いることもできる。

本実施形態に係るシリンダ１の一方の端部は、レーザ溶接により溶接されるが、他方の端部には、ロッドカバーが、シリンダチューブ２に着脱自在に設けられている。具体的には、ロッドカバーはボルトや、タイロッド、ねじ込みによりシリンダチューブ２と固定され、シリンダを構成する。

ロッドカバーがシリンダチューブ２と着脱自在に設けられていることにより、シリンダ１とピストンとを分離して、作動液体からの付着物の清掃や、パッキン等の交換のメンテナンスを行うことができる。これにより、シリンダ１の寿命を長くすることができる。

本発明に係るシリンダ１の内部に、ピストンと、ピストンロッドとが備えられることで、シリンダ装置が構成される。このシリンダ装置は、シリンダ１の軸方向に、ピストンが直線的に動作することで、ピストンロッドによる直線動作を取り出すことができるものである。

シリンダ装置に、本発明に係るシリンダを用いることにより、シリンダ装置の軸心方向の長さを短くでき、シリンダ装置の重量を軽減することができる。

シリンダ装置は、作動液体の圧力装置とバルブ等を介して、シリンダ１の外部に設けられたポートで接続され、バルブ等が動作することで、作動流体がシリンダ装置内に導入排出され、ピストンロッドが直線的に動作する。作動液体は、主に作動油が用いられるが、用途によっては、水が用いられることがある。

本実施形態のシリンダは、シリンダチューブ２の半径方向の外側から内側に向けて、シリンダチューブ２の軸心に垂直な面内にレーザ光の光軸が収まるように、レーザを照射することで溶接した。これは、シリンダチューブ２とヘッドカバー３との接触面が、シリンダチューブ２の軸心に垂直であることにより、このような構成としたが、これに限定されるものではない。すなわち、シリンダチューブ２とヘッドカバー３との接触面を含む面内にレーザ光の光軸を配置すればよい。

また片ロッドタイプのシリンダ装置を構成するシリンダ１について説明したが、両ロッドタイプのシリンダ装置であっても問題ない。両ロッドタイプの場合は、両端を構成するいずれかのロッドカバーがシリンダチューブ２に溶接される。

本実施形態に係るシリンダ装置を備えた作業車両２０として移動式クレーンの構造を図５により説明する。作業車両２０である移動式クレーンは、公知の走行車体２１に走行のための原動機や複数の車輪２２が備えられる他、クレーン作業中の安定を確保するアウトリガ２４が設けられている。走行車体２１の上面には旋回台３０が搭載され、旋回台３０は、旋回モータにより水平面内で３６０°旋回できる。

旋回台３０には伸縮ブーム４０が起伏自在に取り付けられている。伸縮ブーム４０は、基端側の主ブーム４０ａと、この主ブーム４０ａにテレスコープ式に嵌挿した複数段の副ブーム４０ｂ、４０ｃからなる。図示の例では、副ブーム４０ｂ、４０ｃは２本であるが、１本以下でもよく３本以上でもよい。そして各副ブーム４０ｂ、４０ｃの伸縮動作は、この伸縮ブーム４０内に設けられた伸縮シリンダで行われる。

主ブーム４０ａの基端部はピン３１で旋回台３０に枢支され、主ブーム４０ａと旋回台３０との間には起伏シリンダ４３が取付けられている。この起伏シリンダ４３を伸長させると伸縮ブーム４０が起立し、起伏シリンダ４３を収縮させると伸縮ブーム４０が倒伏する。

伸縮ブーム４０の先端、つまり副ブーム４０ｂの先端に形成されているブームヘッドからは、フック３４を備えたワイヤロープ３２が吊り下げられ、そのワイヤロープ３２は伸縮ブーム４０に沿って伸縮ブーム４０の根本に導かれてウィンチ３３に巻き取られている。ウィンチ３３には、図示しないホイストモータが設けられており、ホイストモータの駆動によりウィンチ３３を回転させて、ワイヤロープ３２の巻き取り、繰り出しを行うことで、フック３４を昇降させることができる。このように、伸縮ブーム４０の伸縮、起伏、フック３４の昇降を組み合わせることにより、立体空間内での荷揚げと荷降ろしが可能となっている。

水平方向への回転や上下方向の回転の移動動作が可能な伸縮ブーム４０を備えた作業車両２０の、伸縮ブーム４０内に本発明の実施形態であるシリンダ装置を用い、このシリンダ装置により伸縮ブーム４０の伸縮動作を行うことにより、伸縮ブーム４０の先端方向にある副ブーム等の重量を軽減できる。このことにより、伸縮ブーム４０先端のつり上げ荷重等を、シリンダ装置で軽減した重量分大きくできる。

なお、本発明に係る溶接型液圧シリンダの実施形態として、溶加材を使用せずにレーザのみで溶接された溶接型液圧シリンダについて説明したが、これに限定されない。例えば、レーザによる溶接と、溶加材が用いられているアーク溶接と、からなるハイブリッド溶接で溶接型液圧シリンダを製造することも可能である。このハイブリッド溶接で製造されている溶接型液圧シリンダを第２実施形態として以下に説明する。

第２実施形態に係るシリンダ１は、図４で示すように、レーザ装置１０と、アーク溶接装置１５とを用いたハイブリッド溶接で製造されている。アーク溶接装置１５は、ノズル１６の中に、電極ワイヤ１７を供給ローラ１８で送り込み、ノズル１６からはシールドガスを噴出させる公知の溶接機である。アーク溶接には、例えば、背景技術で言及したＭＡＧ溶接を含む消耗電極式ガスシールド溶接法、ノンガスシールドアーク溶接法、ＴＩＧ溶接法などがある。

ここでハイブリッド溶接とは、溶接を行うレーザ装置１０と、アーク溶接装置１５とを溶接の進行方向に並べ、１つの溶融部にこれら２つの装置から同時にエネルギを供給する溶接方法である。本実施形態では、溶接の進行方向に対して、アーク溶接装置１５が、レーザ装置１０の前側に設けられている。なお前後の配置は逆になることもある。

溶接型液圧シリンダが、レーザによる溶接と、溶加材が用いられているアーク溶接と、からなるハイブリッド溶接で製造されていることにより、アーク溶接装置１５のみで溶接を行う場合と比較して、アーク溶接装置１５からシリンダ１への入熱量を抑えることができ、シリンダ１内の残留応力を減らすことができる。これによりシリンダ１の溶接ひずみを少なくし、溶接型液圧シリンダの軽量化、コンパクト化を図ることができる。

このように入熱量が抑えられた場合でも、レーザによる溶接が行われるので、溶融深さを深くできる。特にアーク溶接装置１５が、レーザ装置１０の前側に設けられていることにより、まずアーク溶接装置１５が、少ない入熱量で溶接対象の表面近くを溶融させた後で、レーザ装置１０により溶融部材を溶接対象の奥まで到達させることができる。

また、径の大きい溶接型液圧シリンダの溶接を、レーザ装置１０のみを用いて行う場合、シリンダチューブ２の板厚が厚さに比して、レーザ装置１０による溶融部分が小さいため、その溶融部分での梨型割れが生じ易くなる。アーク溶接装置１５を組み合わせることにより、この梨型割れの発生を抑えることが可能となる。また、レーザ装置１０のみで溶接する場合、シリンダチューブ２とヘッドカバー３との接合面の加工精度を上げる必要があるが、アーク溶接装置１５によりこれらの接合面を溶加材で埋めることができるので、接合面の加工精度を必要以上に挙げる必要がなく、加工費用を抑えることができる。

本発明に係る液圧シリンダ、及びシリンダ装置は、従来シリンダ及びシリンダ装置を用いてきた装置に利用することができる。特に液圧シリンダ、及びシリンダ装置自体が装置上で動作させられる要素となる場合には、その要素の重量を軽くすることができる。

１ シリンダ
２ シリンダチューブ
３ ヘッドカバー
４ 溶融部分
５ 熱影響部
２０ 作業車両
４０ 伸縮ブーム

Claims (7)

1. 作業車両の伸縮ブームを伸縮させるシリンダ装置に用いられる液圧シリンダであって、
   シリンダチューブと、
   前記シリンダチューブの内径及び外径とそれぞれ同径の小径部及び大径部を有する扁平な円形形状を有し、前記小径部の外周面を前記シリンダチューブの内周面に、前記大径部の環状平面を前記シリンダチューブの軸方向端面に、夫々対向させて前記シリンダチューブに嵌合され、前記シリンダチューブに溶接されたヘッドカバーと、
   を有し、
   前記シリンダチューブに溶接された前記ヘッドカバーの溶融部分は、前記シリンダチューブの軸心を含む断面において、前記シリンダチューブ及び前記大径部の外周上の位置から、前記シリンダチューブの前記軸方向端面と前記大径部の前記環状平面との接触面を通り、前記小径部の前記外周面よりも内側の位置まで、前記円形形状の向心方向に沿って線状に延在しており、前記溶融部分の内側端部には、溶接入熱の影響を受けた熱影響部が形成されている、
   液圧シリンダ。
2. 前記環状平面と前記軸方向端面とは、開先を介在させずに接触している、
   請求項１に記載の液圧シリンダ。
3. 前記軸方向端面は、前記シリンダチューブの軸方向一端部に位置し、
   前記シリンダチューブの軸方向他端部に着脱自在に設けられたロッドカバーをさらに有する、
   請求項１に記載の液圧シリンダ。
4. 請求項１に記載の液圧シリンダと、
   前記液圧シリンダに組み付けられたピストン及びピストンロッドと、
   を有するシリンダ装置。
5. 伸縮可能な伸縮ブームと、
   前記伸縮ブーム内に設けられ、前記伸縮ブームを伸縮させる、請求項４に記載のシリンダ装置と、
   を有する作業車両。
6. 請求項１に記載の液圧シリンダの製造方法であって、
   前記シリンダチューブの半径方向の外側から内側に向けてレーザを照射するレーザ溶接によって、前記シリンダチューブと前記ヘッドカバーとを溶接する、
   液圧シリンダ製造方法。
7. 溶加材を用いない前記レーザ溶接と、溶加材を用いるアーク溶接と、からなるハイブリッド溶接により、前記シリンダチューブと前記ヘッドカバーとを溶接する、
   請求項６に記載の液圧シリンダ製造方法。

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