JP6644404B2 - 溶接構造および溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、機械要素の２つの構成部材同士を接合する溶接構造および溶接方法に関する。

従来、自動車の駆動出力側に設けられる差動装置において、デファレンシャルケースとリングギアをボルト結合の代わりに溶接接合する場合、軸心合わせのため互いに圧入嵌合させるとともに径方向の対向面間を溶接するものがある。
例えば特開２０１１−１６７７４６号公報の図７に記載された実施例では、本願図４に示すように、デファレンシャルケース２’とリングギア１０’の接合する対向面間に開先を形成して、ここにフィラー材を供給しながら高エネルギービームにより溶接する。

具体的には、デファレンシャルケース２’が外周に円筒面６’とさらに外方に延びるフランジ部５とを有し、リングギア１０’がデファレンシャルケース２’の円筒面６’に圧入嵌合する内周面１４’を有する。そして、両者の圧入部２１’のフランジ部５と反対側の端部に軸方向外方に開くテーパ状の開先部２２を形成し、開先部２２より奥側に空隙部２３を有している。さらに、空隙部２３から奥側には、リングギア１０’の内周面１４’とデファレンシャルケース２’のフランジ部５に当接する端面とに、連通溝３０を形成している。
軸方向から開先部２２に高エネルギービームを照射することにより、空隙部２３に達するまで貫通溶接する。この際、溶接熱で膨張する空隙部２３の空気は連通溝３０を介して外部空間に逃げるので、溶融した溶接金属を押し退けることによるアンダーフィルや不整ビードの発生が防止される。

特開２０１１−１６７７４６号公報

しかしながら、上述の溶接構造では、圧入部２１’においてデファレンシャルケース２’とリングギア１０’間に矢示Ｆａ方向の反発力が生じている一方で、開先部２２側では溶融した溶接金属が冷却時に凝固収縮するとき引張り力が生じるので、リングギア１０’にその歯１２’を矢示Ｂのように軸方向に傾け変位させる反りが生じる。
リングギア１０’に反りが生じると、入力側のギアとの噛み合いが不整となり、歯１２’の摩耗と、騒音発生を招くことになる。

なお、特開２０１１−１６７７４６号公報にはその図８以下にも複数の実施例が記載されているが、いずれも圧入嵌合するとともに径方向の対向面間で溶接する点で同一であり、上記の問題を有している。
また、この問題はデファレンシャルケースとリングギアの結合に限らず、第１部材と第２部材を圧入嵌合するとともに径方向の対向面間で溶接する他の溶接構造においても同様に存在する。

したがって本発明は、上記の問題点に鑑み、第１部材と第２部材を径方向の対向面間で溶接接合する際に両者間に反りの発生しないようにした溶接構造および溶接方法を提供することを目的とする。

このため本発明は、第１部材とその外周を囲む第２部材を径方向の対向面間で溶接するにあたり、溶接前の状態において上記対向面間の軸方向一端に開先部を有するとともに、該開先部に続く他端側を圧入部として、
第１部材は、対向面よりも径方向外方に延びるフランジ部を有しており、溶接前の状態において、第２部材が該フランジ部に当接することにより軸方向に位置決めされ、開先部および圧入部にわたって貫通溶接するものとした。

本発明によれば、貫通溶接により圧入部も開先部とともに溶融され、この溶融部以外に溶融されない非収縮部位が軸方向に並んでいないので、溶融部の冷却時の凝固収縮による第２部材の反りが大きく抑止される。

実施の形態を示す図である。 溶接接合部の詳細を示す拡大図である。 変形例を示す図である。 従来例を示す図である。

以下、本発明を自動車の差動装置に適用した実施の形態について説明する。
実施の形態の差動装置１は外観としてデファレンシャルケース２とその外周に結合されるリングギア１０とからなっている。
図１は差動装置１における外周部の軸方向に沿った縦断面図である。
デファレンシャルケース２はケース本体３の外周壁から回転軸Ｚに対して径方向垂直に外方へ延びる環状のギア支持部４を有している。
リングギア１０は歯１２を備える円筒状のヘッド１１から径方向内方へ延びる連結部１３を有している。連結部１３はギア支持部４の後述するフランジ部５を除いたと同等の軸方向肉厚が小さい環状で、ヘッド１１の軸方向略中央から延び、これによりリングギア１０の断面を略Ｔ字形としている。

ギア支持部４と連結部１３は径方向に対向して溶接接合部２０を形成している。また、ギア支持部４は溶接接合部２０に隣接して、溶接接合部２０よりも径方向外方に延びるフランジ部５を備えており、連結部１３の側壁をフランジ部５の側壁に当接させることによりデファレンシャルケース２に対するリングギア１０の軸方向位置を規定するようになっている。

図２は溶接接合部２０の詳細を示す拡大図である。
溶接前の形状として、デファレンシャルケース２のギア支持部４がその外周に円筒面６を有し、リングギア１０の連結部１３はその内周面１４をギア支持部４の円筒面６に対して圧入されて圧入部２１が形成されている。この圧入部２１はギア支持部４および連結部１３のそれぞれ軸方向肉厚の中間部分に形成されている。
ギア支持部４の円筒面６における圧入部２１の一端から軸方向片側は切り欠かれて傾斜した円錐外面７をなし、連結部１３の内周面における圧入部２１の一端から軸方向片側が切り欠かれて傾斜した円錐内面１５をなし、これにより軸方向一方の端面９、１７に開口する断面Ｖ字形の開先部２２が形成されている。

また、ギア支持部４の円筒面６における圧入部２１の他端から軸方向他側はフランジ部５までの間が切り欠かれて円筒面６より小径の段部８をなし、連結部１３の内周面１４における圧入部２１の他端から軸方向他側も端面１８まで切り欠かれて内周面１４より大径の段部１６をなしている。

デファレンシャルケース２とリングギア１０の接合に当たっては、まず、ギア支持部４に対してその一端側（開先部２２形成側）からリングギア１０をその連結部１３がギア支持部４のフランジ部５に当接するまで押し込んで、連結部１３の内周面１４をギア支持部４の円筒面６に対して圧入する。
連結部１３がフランジ部５に当接した状態で、圧入部２１の一端を始点として断面がＶ字形に拡がる開先部２２が形成されるとともに、圧入部２１の他端につながって段部８，１６とフランジ部５とで囲まれた断面がＵ字形の空隙部２３が形成される。

圧入後、まず開先部２２の奥端（圧入部２１の一端）に小出力のビームを照射することにより、全周にわたって仮溶接ｗを行う。
このあと、本溶接として、フィラー材を供給しながら高エネルギービームにより開先部２２および圧入部２１にわたって溶融させ、溶融部２５が空隙部２３に達するまで貫通溶接する。
この際、圧入状態で仮溶接してあるので、周方向に逐次溶接を進める間、局部的熱変形によるデファレンシャルケース２とリングギア１０の芯ずれは生じない。
また、空隙部２３内の空気は溶接熱で膨張するが、互いに当接している連結部１３とフランジ部５間の隙間を通って外部空間に逃げるので、溶融した溶接金属を押し退けることによるアンダーフィルや不整ビードの発生が防止される。

そして、本溶接後は溶融部２５が冷却するにしたがって白抜き矢示で示すように凝固収縮するが、溶接前の圧入部２１は溶融により消滅し、溶融部２５以外にはギア支持部４と連結部１３間に径方向に対向して接触している部分は残らない。この結果、収縮部位と溶融されない非収縮部位とが軸方向に並んでいることに起因するリングギア１０の反りは生じない。

本実施の形態では、デファレンシャルケース２が発明における第１部材に該当し、リングギア１０が第２部材に該当する。そしてデファレンシャルケース２の円筒面６とリングギア１０の内周面１４がそれぞれの対向面に該当する。

実施の形態は以上のように構成され、デファレンシャルケース２とその外周を囲むリングギア１０の溶接接合を、溶接前の状態において、径方向に対向するデファレンシャルケース２の円筒面６とリングギア１０の内周面１４における軸方向一端に開先部２２を形成するとともに、開先部２２に続く他端側を圧入部２１として、これら開先部２２および圧入部２１にわたって貫通溶接するものとしたので、この溶融部２５以外に溶融されない非収縮部位が軸方向に並んでいないので、溶融部２５の冷却時の凝固収縮によるリングギア１０の反りが防止される。
（請求項１および６に対応する効果）

また、デファレンシャルケース２がその円筒面６よりも径方向外方に延びるフランジ部５を有し、溶接前の状態において、リングギア１０がフランジ部５に当接することにより軸方向に位置決めされるので、作業が容易であるとともに、形状精度の高い差動装置が得られる。（請求項２に対応する効果）
さらにデファレンシャルケース２の円筒面６とリングギア１０の内周面１４の対向面における軸方向開先部２２と反対側の端に圧入部２１に続く空隙部２３を有しているので、デファレンシャルケース２がフランジ部５を備えていてもこのフランジ部５に熱を奪われることなく均質で速やかな貫通溶接が可能となる。（請求項３に対応する効果）

デファレンシャルケース２はケース本体３から軸方向肉厚の小さい環状のギア支持部４を径方向外方へ延ばし、リングギア１０は歯を備える円筒状のヘッドから軸方向肉厚の小さい環状の連結部１３を径方向内方へ延ばしており、円筒面６はギア支持部４の外周部に形成され、内周面１４は連結部１３の内周に形成されているので、溶接接合部の長さを必要最小限とすることができる。
（請求項５に対応する効果）

また、開先部２２および圧入部２１を溶融させる本溶接の前に、開先部２２の奥端において小出力のビームで仮溶接するので、本溶接の際のデファレンシャルケース２とリングギア１０の芯ずれが防止される。
（請求項７に対応する効果）

なお、実施の形態では開先部２２の断面形状をＶ字形としたが、これに限定されず、公知のＵ字形、Ｙ字形、その他の断面形状を適宜に採用することができる。
空隙部２３の断面形状も同様であるが、さらにギア支持部４の段部８と連結部１３の段部１６とで形成する代わりにいずれか一方を切り欠いた段部のみで形成してもよい。

実施の形態ではリングギア１０における連結部１３の肉厚をヘッド１１側の根元から内周の開先部２２を形成する円錐内面１５の開口まで一定としているが、開先部２２と反対側に空隙部２３を設けているので溶融部２５が連結部１３の肉厚内で端面１７側に偏る結果となる。このため、連結部１３内に軸方向片側のみが引張られることによる歪応力が生じ得る。
そこで変形例として、図３に示すように、端面１７においてリングギア１０の開先部２２が開口する壁面１８ｂを溶接熱により溶融されない径方向外方部位の壁面１８ａからオフセットさせてもよい。すなわち、開先部２２および圧入部２１の長さを保持したまま、ギア支持部４との対向面における空隙部２３を含む軸方向肉厚Ｄｂを径方向外方部位の肉厚Ｄａよりも小さくする。
これにより、溶融部２５と連結部１３の軸方向中心との距離Ｓが小さくなるので、歪応力が軽減される。
（請求項４に対応する効果）
この変形例では、壁面１８ｂが発明における開先部が開口する壁面に該当し、壁面１８ａが径方向外方部位の壁面に該当する。

実施の形態および変形例はデファレンシャルケースとリングギアの溶接接合を例として示したが、本発明はこれに限定されず、互いに圧入嵌合するとともに径方向の対向面間で溶接する種々の第１部材と第２部材の接合についても適用可能である。

１ 差動装置
２ デファレンシャルケース
３ ケース本体
４ ギア支持部
５ フランジ部
６ 円筒面
７ 円錐面
８ 段部
９ 端面
１０ リングギア
１１ ヘッド
１２ 歯
１３ 連結部
１４ 内周面
１５ 円錐面
１６ 段部
１７、１９ 端面
１８ａ、１８ｂ 壁面
２０ 溶接接合部
２１ 圧入部
２２ 開先部
２３ 空隙部
２５ 溶融部
Ｚ 回転軸

Claims (6)

1. 第１部材とその外周を囲む第２部材を径方向の対向面間で溶接する溶接構造であって、
   溶接前の状態において、前記対向面間の軸方向一端に開先部を有するとともに、該開先部に続く他端側を圧入部として、
   前記第１部材は、前記対向面よりも径方向外方に延びるフランジ部を有しており、
   溶接前の状態において、前記第２部材が該フランジ部に当接することにより軸方向に位置決めされ、
   前記開先部および圧入部にわたって貫通溶接することを特徴とする溶接構造。
2. 前記対向面間の軸方向他端に前記圧入部に続く空隙部を有していることを特徴とする請求項１に記載の溶接構造。
3. 前記第２部材の前記開先部が開口する壁面を溶接熱により溶融されない径方向外方部位の壁面からオフセットさせて、前記対向面における前記空隙部を含む軸方向肉厚を前記径方向外方の部位よりも小さくしたことを特徴とする請求項２に記載の溶接構造。
4. 前記第１部材が差動装置におけるケース本体から径方向外方へ環状のギア支持部を延ばしたデファレンシャルケースであり、前記第２部材が歯を備える円筒状のヘッドから環状の連結部を径方向内方へ延ばしたリングギアであって、
   前記第１部材の対向面が前記ギア支持部の外周部に形成した円筒面であり、
   前記第２部材の対向面が前記連結部の内周面であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の溶接構造。
5. 第１部材とその外周を囲む第２部材を径方向の対向面間で溶接する溶接方法であって、
   溶接前に、前記対向面間の軸方向一端に開先部を形成するとともに、該開先部に続く他端側を圧入部として、
   溶接前に、前記第２部材を、前記対向面よりも径方向外方に延びる前記第１部材のフランジ部に当接させることにより軸方向に位置決めし、
   前記開先部および圧入部にわたって貫通溶接することを特徴とする溶接方法。
6. 前記開先部および圧入部を溶融させる本溶接の前に、前記開先部の奥端において仮溶接することを特徴とする請求項５に記載の溶接方法。

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