特開 2023-92128 溶接構造物および作業車両

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023092128

(43)【公開日】2023-07-03

(54)【発明の名称】溶接構造物および作業車両

(51)【国際特許分類】

   B23K 37/06 20060101AFI20230626BHJP

   E02F 3/38 20060101ALI20230626BHJP

   B23K 9/00 20060101ALI20230626BHJP

   C22C 38/00 20060101ALN20230626BHJP

   C22C 38/40 20060101ALN20230626BHJP

   C22C 38/08 20060101ALN20230626BHJP

【ＦＩ】

B23K37/06 C

E02F3/38

B23K9/00 501C

C22C38/00 302Z

C22C38/00 301Z

C22C38/40

C22C38/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021207139

(22)【出願日】2021-12-21

(71)【出願人】

【識別番号】000001236

【氏名又は名称】株式会社小松製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100136098

【弁理士】

【氏名又は名称】北野 修平

(72)【発明者】

【氏名】吉原 幸秀

【テーマコード（参考）】

4E081

【Ｆターム（参考）】

4E081YC10

4E081YY12

(57)【要約】

【課題】大型の溶接構造物にも適用可能な疲労強度が向上した溶接構造物および当該溶接構造物を含む作業車両を提供する。
【解決手段】溶接構造物１９は、鋼板または鋳鋼からなる第１部材１１と、第１部材１１と空間Ｓを挟んで隣接して配置され、鋼板または鋳鋼からなる第２部材１２と、空間Ｓを充填し、第１部材１１と第２部材１２とを接合する第１溶接部２１と、空間Ｓの第１の開口部を閉じるように第１溶接部２１に接触して配置され、第１溶接部２１に接触する領域にマルテンサイト組織を有する変態領域３１Ｆを含み、鋼から構成される裏当て材３１と、を備える。裏当て材３１を構成する鋼は、単位質量あたりの体積がＭｓ点よりも室温において大きい。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

鋼板または鋳鋼からなる第１部材と、
前記第１部材と空間を挟んで隣接して配置され、鋼板または鋳鋼からなる第２部材と、
前記空間を充填し、前記第１部材と前記第２部材とを接合する第１溶接部と、
前記空間の第１の開口部を閉じるように前記第１溶接部に接触して配置され、前記第１溶接部に接触する領域にマルテンサイト組織を有する変態領域を含み、鋼から構成される裏当て材と、を備え、
前記裏当て材を構成する鋼は、単位質量あたりの体積がＭｓ点よりも室温において大きい、溶接構造物。

【請求項2】

前記第１部材と前記裏当て材とに接触して配置され、前記第１部材と前記裏当て材とを接合する第２溶接部をさらに備える、請求項１に記載の溶接構造物。

【請求項3】

前記第２部材と前記裏当て材とに接触して配置され、前記第２部材と前記裏当て材とを接合する第３溶接部をさらに備える、請求項１または請求項２に記載の溶接構造物。

【請求項4】

前記第１部材および前記第２部材は、６ｍｍ以上の厚みを有する鋼板または鋳鋼である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の溶接構造物。

【請求項5】

前記裏当て材を構成する鋼の降伏応力は、前記第１溶接部を構成する材料の降伏応力よりも大きい、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の溶接構造物。

【請求項6】

請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の溶接構造物を含む、作業車両。

【請求項7】

前記溶接構造物は、前記作業車両の作業機に含まれる、請求項６に記載の作業車両。

【請求項8】

前記作業車両はショベルである、請求項６または請求項７に記載の作業車両。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、溶接構造物および作業車両に関するものである。

【背景技術】

【0002】

鋼板や鋳鋼からなる部材（母材）同士が溶接によって接合された溶接構造物においては、溶接部付近を起点として疲労破壊が発生する場合がある。これに対し、溶接部を構成する鋼や母材を構成する鋼としてＭ_ｓ点が低い鋼を採用することにより、疲労破壊の起点となり得る領域に圧縮応力を残留させ、溶接構造物の疲労強度を上昇させることが提案されている（たとえば、特許文献１および２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００２－２１０５５７号公報

【特許文献2】特開２００５－２８８５０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、上記のような技術では、大型の溶接構造物においては、溶接部や母材を構成する鋼として、コストの高い鋼を大量に使用する必要がある。そのため、大型の溶接構造物に適用することが難しいという問題がある。大型の溶接構造物にも適用可能な疲労強度が向上した溶接構造物および当該溶接構造物を含む作業車両を提供することが、本開示の目的の１つである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の溶接構造物は、鋼板または鋳鋼からなる第１部材と、第１部材と空間を挟んで隣接して配置され、鋼板または鋳鋼からなる第２部材と、当該空間を充填し、第１部材と第２部材とを接合する第１溶接部と、上記空間の第１の開口部を閉じるように第１溶接部に接触して配置され、第１溶接部に接触する領域にマルテンサイト組織を有する変態領域を含み、鋼から構成される裏当て材と、を備える。裏当て材を構成する鋼は、単位質量あたりの体積がＭｓ点よりも室温において大きい。

【発明の効果】

【0006】

上記溶接構造物によれば、大型の溶接構造物にも適用可能な疲労強度が向上した溶接構造物を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、実施の形態１における油圧ショベルの外観を示す概略斜視図である。

【図2】図２は、油圧ショベルのブームの外観を示す概略平面図である。

【図3】図３は、図２の線分ＩＩＩ－ＩＩＩに沿うブームの概略断面図である。

【図4】図４は、図３のブームの溶接部付近を拡大して示す概略断面図である。

【図5】図５は、鋼の冷却時における体積の変化を示す概略図である。

【図6】図６は、実施の形態２における溶接構造物の溶接部付近を拡大して示す概略断面図である。

【図7】図７は、実施の形態３における溶接構造物の溶接部付近を拡大して示す概略断面図である。

【図8】図８は、疲労試験用の試験片の構造を示す概略平面図である。

【図9】図９は、図８の試験片から裏当て材３１を除去し、厚み方向において反対側から見た状態を示す概略平面図である。

【図10】図１０は、図８および図９の線分Ｘ－Ｘに沿う疲労試験用の試験片の概略断面図である。

【図11】図１１は、図８～図１０の試験片の溶接部２５の形成前に、第２溶接部２２および第３溶接部２３が形成された試験片の概略断面図である。

【図12】図１２は、図８～図１０の試験片のルート部付近の残留応力の分布を示す図である。

【図13】図１３は、図１１の試験片における第２溶接部および第３溶接部の止端部付近の残留応力の分布を示す図である。

【図14】図１４は、疲労試験の実施方法を説明するための概略図である。

【図15】図１５は、図８～図１０の試験片の疲労試験の結果を示す図である。

【図16】図１６は、図１１の試験片の疲労試験の結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

［実施形態の概要］
本開示に従った溶接構造物は、鋼板または鋳鋼からなる第１部材と、第１部材と空間を挟んで隣接して配置され、鋼板または鋳鋼からなる第２部材と、当該空間を充填し、第１部材と第２部材とを接合する第１溶接部と、上記空間の第１の開口部を閉じるように第１溶接部に接触して配置され、第１溶接部に接触する領域にマルテンサイト組織を有する変態領域を含み、鋼から構成される裏当て材と、を備える。裏当て材を構成する鋼は、単位質量あたりの体積がＭｓ点（組織にマルテンサイトが生成しはじめる温度）よりも室温において大きい。

【0009】

本開示に従った溶接構造物の製造工程における溶接時には、溶融状態の第１溶接部と裏当て材とが接触する。そのため、第１溶接部と裏当て材とが接触する領域であるルート部近傍の裏当て材の領域は、Ａ_１点以上の温度に加熱される。そして、第１溶接部が凝固していく過程では、第１溶接部およびルート部近傍の裏当て材の領域の温度は急激に低下する。その結果、裏当て材のルート部近傍の領域ではマルテンサイト変態が起こり、マルテンサイト組織を有する変態領域が形成される。ここで、本開示の溶接構造物の裏当て材を構成する鋼は、単位質量あたりの体積がＭｓ点よりも室温において大きい。そのため、溶接部が室温まで冷却される過程で、上記変態領域は、Ｍ_Ｓ点以下の温度域において膨張した状態で室温まで冷却される。そうすると、変態領域に接触する第１溶接部のルート部近傍は、変態領域の膨張に伴って膨張しようとする一方で、第１部材および第２部材による拘束によって膨張が阻害される。その結果、疲労破壊の起点となり得る第１溶接部のルート部近傍の第１溶接部、第１部材および第２部材内の領域に、室温において圧縮応力が付与される。この圧縮の応力は、第１溶接部のルート部近傍における残留応力を圧縮の状態とし、または引張の状態を緩和する。その結果、第１溶接部のルート部近傍における亀裂の発生および伸展が阻害され、溶接構造物の疲労強度が向上する。

【0010】

また、上記メカニズムによる疲労強度の向上のためには、第１溶接部、第１部材および第２部材を構成する材料として、コストの高い特殊な材料を使用する必要はなく、裏当て材を構成する鋼にのみ、単位質量あたりの体積がＭｓ点よりも室温において大きい鋼を採用すれば足りる。そのため、小型の溶接構造物だけでなく、大型の溶接構造物にも本開示の溶接構造物の構成を適用可能である。以上のように、本開示の溶接構造物によれば、大型の溶接構造物にも適用可能な疲労強度が向上した溶接構造物を提供することができる。なお、本願において、「室温」とは、２７℃（３００Ｋ）を意味する。

【0011】

上記溶接構造物は、第１部材と裏当て材とに接触して配置され、第１部材と裏当て材とを接合する第２溶接部をさらに備えていてもよい。これにより、事前に第２溶接部を形成して第１部材と裏当て材とを接合しておき、その後、第１溶接部を形成することが可能となる。その結果、溶接構造物の製造が容易となる。さらに、第１溶接部の形成時における上記裏当て材の膨張を第２溶接部が拘束するため、第２溶接部の止端部近傍に圧縮応力が付与される。この圧縮の応力は、第２溶接部の止端部近傍における残留応力を圧縮の状態とし、または引張の状態を緩和する。その結果、疲労破壊の起点となり得る第２溶接部の止端部近傍における亀裂の発生および伸展が阻害され、溶接構造物の疲労強度が向上する。

【0012】

上記溶接構造物は、第２部材と裏当て材とに接触して配置され、第２部材と裏当て材とを接合する第３溶接部をさらに備えていてもよい。これにより、事前に第３溶接部を形成して第２部材と裏当て材とを接合しておき、その後、第１溶接部を形成することが可能となる。その結果、溶接構造物の製造が容易となる。さらに、上記第２溶接部の止端部近傍と同様に、第３溶接部の止端部近傍における亀裂の発生および伸展が阻害され、溶接構造物の疲労強度が向上する。

【0013】

上記溶接構造物において、第１部材および第２部材は、６ｍｍ以上の厚みを有する鋼板または鋳鋼であってもよい。このような大型の溶接構造物に、本開示の溶接構造物を有効に適用することができる。

【0014】

上記溶接構造物において、裏当て材を構成する鋼の降伏応力は、第１溶接部を構成する材料の降伏応力よりも大きくてもよい。これにより、第１溶接部のルート部近傍に圧縮応力を付与することが容易となる。

【0015】

本開示の作業車両は、上記本開示の溶接構造物を含んでいる。大型の溶接構造物にも適用可能な疲労強度が向上した溶接構造物を含んでいることにより、本開示の作業車両によれば、信頼性の高い作業車両を提供することができる。

【0016】

上記作業車両において、本開示の溶接構造物は、作業車両の作業機に含まれていてもよい。本開示の溶接構造物は、作業車両の作業機を構成する部材として好適である。

【0017】

上記作業車両はショベルであってもよい。本開示の作業車両は、油圧ショベル、電動ショベルなどのショベルに好適に適用することができる。

【0018】

［実施形態の具体例］
次に、本開示の作業車両および溶接構造物の具体的な実施の形態の一例を、図面を参照しつつ説明する。以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

【0019】

（実施の形態１）
まず、図１～図５を参照して、本開示に従った作業車両および溶接構造物の一例である油圧ショベルおよび油圧ショベルのブームについて説明する。図１は、実施の形態１における油圧ショベルの外観を示す概略斜視図である。図１を参照して、油圧ショベル１００は、走行体１と、旋回体３と、作業機４とを含んでいる。油圧ショベル本体は、走行体１と旋回体３とを含んでいる。走行体１は、１対の履帯１Ａを含んでいる。旋回体３は、走行体１の上部の旋回機構を介して、走行体１に装着されている。旋回体３は、運転室８を含んでいる。

【0020】

作業機４は、旋回体３において、上下方向に作動可能に支持されており、土砂の掘削などの作業を行うことができる。作業機４は、ブーム５と、アーム６と、バケット７とを含んでいる。ブーム５の基部は、旋回体３に連結されている。アーム６は、ブーム５の先端に連結されている。バケット７は、アーム６の先端に連結されている。ブーム５、アーム６およびバケット７の各々が油圧シリンダによって駆動されることにより、作業機４は所望の動作を行うことができる。

【0021】

図２は、油圧ショベルのブームの外観を示す概略平面図である。図３は、図２の線分ＩＩＩ－ＩＩＩに沿うブームの概略断面図である。図２および図３を参照して、ブーム５は、上板１１と、左側板１２と、右側板１３と、下板１４とを含んでいる。左側板１２と右側板１３とは、図３に示すように、上端において上板１１に溶接部２１を介して接合されており、下端において下板１４に溶接部２１を介して接合されている。右側板１３は、左側板１２と間隔を空けて対向している。左側板１２と右側板１３とは、略平行に配置されている。下板１４は、上板１１と間隔を空けて対向している。上板１１と下板１４とは、略平行に配置されている。上板１１、左側板１２、右側板１３および下板１４は、互いに接合されて、箱型構造体１９を形成している。箱型構造体１９は、溶接構造物である。

【0022】

上板１１、左側板１２、右側板１３および下板１４は、それぞれ細長板状の形状を有している。上板１１、左側板１２、右側板１３および下板１４は、たとえば、厚み６ｍｍ以上２０ｍｍ以下の鋼板である。上板１１、左側板１２、右側板１３および下板１４から形成される箱型構造体１９は、ブーム５の長手方向（図３の紙面垂直方向）に延びる長尺の構造体である。

【0023】

図２を参照して、箱型構造体１９の長手方向の第１の端部に、ブームフートブラケット１５が接合されている。箱型構造体１９の長手方向の第２の端部（長手方向において第１の端部とは反対側の端部）に、アーム取付ブラケット１６が接合されている。ブームフートブラケット１５と、アーム取付ブラケット１６とは、箱型構造体１９の長手方向の端部において、上板１１、左側板１２、右側板１３および下板１４の各々に接合されている。ブームフートブラケット１５は、ブーム５の後端部を成している。アーム取付ブラケット１６は、ブーム５の前端部を成している。ブームフートブラケット１５は、旋回体３にピンで結合されている。アーム取付ブラケット１６には、アーム６がピンで結合されている。

【0024】

本実施形態においては、上板１１と下板１４とが並ぶ方向（図３の上下方向）を上下方向という。左側板１２と右側板１３とが並ぶ方向（図３の左右方向）を左右方向という。ブーム５の延びる方向、または箱型構造体１９の長手方向（図３の紙面垂直方向）を前後方向という。前後方向において、ブーム５が旋回体３に連結される側が後方向であり、アーム６がブーム５に連結される側が前方向である。

【0025】

左側板１２および右側板１３の、前後方向におけるほぼ中央部には、ブームシリンダ取付部１７が設けられている。ブームシリンダ取付部１７に、ブーム５を駆動するブームシリンダの先端が連結される。上板１１の上面側の、前後方向におけるほぼ中央部には、アームシリンダ取付部１８が設けられている。アームシリンダ取付部１８に、アーム６を駆動するアームシリンダの基端が連結される。

【0026】

上板１１、左側板１２、右側板１３および下板１４は、それぞれ一枚の鋼板または鋳鋼によって形成されていてもよい。または、複数の鋼板または鋳鋼が溶接などによって互いに接合されて、上板１１、左側板１２、右側板１３および下板１４の各々を形成してもよい。上板１１、左側板１２、右側板１３および下板１４を構成する材料としては、たとえば、ＪＩＳ（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ）ＳＳ４００、ＳＭ５７０、ＳＣ４５０などを採用することができる。箱型構造体１９の内部空間に、ブーム５の強度を増大するための補強部材が配置されていてもよい。

【0027】

図３を参照して、本実施の形態の溶接構造物である箱型構造体１９は、４つの溶接部２１を含んでいる。４つの溶接部２１およびその周辺は、いずれも実質的に同様の構造を有している。以下、上板１１と左側板１２とを接合する溶接部２１およびその周辺の構造について、図４に基づいて説明する。

【0028】

図４を参照して、本実施の形態の溶接構造物である箱型構造体１９は、第１部材としての上板１１と、第２部材としての左側板１２と、溶接部２１と、裏当て材３１と、を含んでいる。上板１１および左側板１２は、鋼または鋳鋼から構成されている。上板１１は、６ｍｍ以上２０ｍｍ以下の厚みｔ_１を有する鋼板である。左側板１２は、たとえば、６ｍｍ以上２０ｍｍ以下の厚みｔ_２を有する鋼板である。上板１１および左側板１２を構成する材料としては、たとえばＳＳ４００、ＳＭ５７０などを採用することができる。

【0029】

上板１１は、内表面１１Ａと、外表面１１Ｂと、端面１１Ｃとを有している。左側板１２は、内表面１２Ｂと、外表面１２Ｃと、端面１２Ａとを有している。内表面１１Ａと端面１２Ａとが空間Ｓを挟んで向かい合うように、上板１１と左側板１２とは隣接して配置されている。左側板１２の端面１２Ａは、外表面１２Ｃに近付くにしたがって上板１１の内表面１１Ａとの距離が大きくなるテーパ面となっている。なお、左側板１２の端面１２Ａは、テーパ面ではなく、ストレート面であってもよい。つまり、左側板１２の端面１２Ａは、テーパ状の開先であってもよいし、ストレート状の開先であってもよい。

【0030】

第１溶接部２１は、空間Ｓを充填している。第１溶接部２１は、上板１１と左側板１２とを接合している。第１溶接部２１は、溶接によって形成された領域である。第１溶接部２１は、溶接時に溶融した領域が凝固することによって形成された部分である。第１溶接部２１は、外表面２１Ａと、第１側面２１Ｃと、第２側面２１Ｂと、底面２１Ｄとを有している。第１溶接部２１は、第１側面２１Ｃにおいて上板１１の内表面１１Ａと接触している。第１溶接部２１は、第２側面２１Ｂにおいて左側板１２の端面１２Ａと接触している。第１溶接部２１は、底面２１Ｄにおいて裏当て材３１の第１表面３１Ａと接触している。第１溶接部２１は、裏当て材３１と接触する領域であるルート部２１Ｅを有してる。ルート部２１Ｅの幅であるルート間隔ｄ_１は、たとえば、４．０ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下とすることができる。

【0031】

裏当て材３１は、第１表面３１Ａと、第２表面３１Ｂと、第３表面３１Ｃと、第４表面３１Ｄとを有している。裏当て材３１は、箱型構造体１９の長手方向に沿って延びる細長板状の形状を有している。第１表面３１Ａと第３表面３１Ｃとは、裏当て材３１の厚み方向に間隔をおいて略平行に配置されている。裏当て材３１の厚みｔ_０は、たとえば、４ｍｍ以上１２ｍｍ以下とすることができる。裏当て材３１は、第１表面３１Ａにおいて左側板１２の内表面１２Ｂに接触するとともに、第１溶接部２１の底面２１Ｄに接触している。裏当て材３１は、第４表面３１Ｄにおいて上板１１の内表面１１Ａに接触している。裏当て材３１は、空間Ｓのルート部２１Ｅ側（上板１１および左側板１２の内表面１１Ａ，１２Ｂ側）の開口を閉じるように配置されている。裏当て材３１は、第１溶接部２１に接触する領域に、マルテンサイト組織を有する変態領域３１Ｆを含んでいる。変態領域３１Ｆにおけるマルテンサイト組織の割合は、たとえば、５０体積％以上であり、８０体積％以上であってもよい。

【0032】

裏当て材３１は、単位質量あたりの体積がＭｓ点よりも室温において大きい鋼からなっている。裏当て材３１を構成する鋼のＭ_Ｓ点は、たとえば、２２０℃以上４００℃以下とすることができる。裏当て材３１を構成する鋼は、たとえば、０．０３質量％以上０．０６質量％以下のＣ（炭素）と、０．１質量％以上０．３質量％以下のＳｉ（珪素）と、０．２質量％以上０．４質量％以下のＭｎ（マンガン）と、９．０質量％以上１３．０質量％以下のＮｉ（ニッケル）と、を含み、残部がＦｅ（鉄）および不可避的不純物からなる鋼であってもよい。また、裏当て材３１を構成する鋼は、たとえば、０．０２質量％以上０．０５質量％以下のＣと、０．１質量％以上０．３質量％以下のＳｉと、０．１質量％以上０．３質量％以下のＭｎと、７．０質量％以上１１．０質量％以下のＮｉと、１０．０質量％以上１６．０質量％以下のＣｒ（クロム）とを含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼であってもよい。また、裏当て材３１を構成する鋼は、たとえば、０．０２質量％以上０．０５質量％以下のＣと、０．３質量％以上０．５質量％以下のＳｉと、３．０質量％以上６．０質量％以下のＭｎと、０．０質量％以上５．０質量％以下のＮｉとを含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼であってもよい。

【0033】

ここで、上板１１と左側板１２とを接合する第１溶接部２１の形成方法の概略を、図４および図５を参照して説明する。図５は、裏当て材３１を構成する鋼の冷却時における体積の変化を示す概略図である。図５において、横軸は温度に対応する。図５において、縦軸は単位質量あたりの体積に対応する。図４を参照して、まず、上板１１と左側板１２とが、内表面１１Ａと端面１２Ａとが向かい合うように配置される。また、裏当て材３１が、上板１１および左側板１２の内表面１１Ａ，１２Ｂに接触し、かつ空間Ｓを閉じるように配置される。その後、溶接ワイヤ（溶加材）を用いた溶接により溶融状態の第１溶接部２１が形成される。このとき、第１溶接部２１に接触する上板１１、左側板１２および裏当て材３１の一部が溶融し、第１溶接部２１の一部となる。すなわち、第１溶接部２１は、溶接ワイヤを構成する成分に対して、上板１１、左側板１２および裏当て材３１を構成する成分が混入した組成を有する。

【0034】

このとき、溶融状態の第１溶接部２１と裏当て材３１とが接触する。これにより、ルート部２１Ｅの近傍の裏当て材３１の領域は、Ａ_１点（組織がフェライトからオーステナイトに変態する温度）以上の温度に加熱される。そして、第１溶接部２１が凝固していく過程で、ルート部２１Ｅの近傍の裏当て材３１の領域の温度は急激に低下する。その結果、図５に示すように、裏当て材３１のルート部２１Ｅ近傍の領域では、温度がＭ_Ｓ点を下回ることでマルテンサイト変態が起こり、マルテンサイト組織を有する変態領域３１Ｆが形成される。Ｍ_Ｓ点における変態領域３１Ｆの単位質量あたりの体積（以下、単に「体積」ともいう）は、Ｖ_１である。変態領域３１Ｆは、マルテンサイト変態に伴って体積が増加したあと、さらなる冷却によって体積が減少する。

【0035】

ここで、本実施の形態の裏当て材３１を構成する鋼は、単位質量あたりの体積がＭｓ点よりも室温（ＲＴ）において大きい。具体的には、変態領域３１Ｆの室温における体積は、Ｖ_２である。この変態領域３１Ｆの膨張によって、疲労破壊の起点となり得る第１溶接部２１のルート部２１Ｅ近傍の第１溶接部２１、上板１１および左側板１２内の領域に、室温において圧縮応力が付与される。この圧縮の応力は、ルート部２１Ｅ近傍における残留応力を圧縮の状態とし、または引張の状態を緩和する。その結果、第１溶接部２１のルート部２１Ｅ近傍における亀裂の発生および伸展が阻害され、溶接構造物１９の疲労強度が向上する。

【0036】

また、本実施の形態においては、第１溶接部２１、上板１１、左側板１２、右側板１３および下板１４を構成する鋼として、コストの高い特殊な材料を使用する必要はなく、裏当て材３１を構成する鋼にのみ、単位質量あたりの体積がＭｓ点よりも室温において大きい鋼を採用すれば足りる。このように、本実施の形態の箱型構造体１９は、大型の溶接構造物にも適用可能な疲労強度が向上した溶接構造物となっている。また、本実施の形態の作業車両としての油圧ショベル１００は、箱型構造体１９を作業機４のブーム５に含むことにより、信頼性の高い作業車両となっている。

【0037】

上記実施の形態において、裏当て材３１を構成する鋼の降伏応力は、第１溶接部２１を構成する材料の降伏応力よりも大きくてもよい。これにより、第１溶接部２１のルート部２１Ｅ近傍に圧縮応力を付与することが容易となる。

【0038】

（実施の形態２）
次に、図６を参照して、他の実施の形態である実施の形態２について説明する。図６および図４を参照して、実施の形態２の溶接構造物１０１は、実施の形態１の溶接構造物としての箱型構造体１９と基本的には同様の構造を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２の溶接構造物１０１は、鋼板または鋳鋼からなる第１部材４１および第２部材４２の端面同士が溶接によって接合されている点において、実施の形態１の場合とは異なっている。

【0039】

図６を参照して、本実施の形態の溶接構造物１０１は、第１部材４１と、第２部材４２と、溶接部２１と、裏当て材３１と、を含んでいる。第１部材４１および第２部材４２は、実施の形態１における上板１１および左側板１２と同様の材料からなり、同様の厚みｔ_３，ｔ_４を有している。

【0040】

第１部材４１および第２部材４２は、第１表面４１Ｃ，４２Ｃと、第２表面４１Ｂ，４２Ｂと、端面４１Ａ，４２Ａと、を有している。第１部材４１および第２部材４２の端面４１Ａ，４２Ａは、互いに空間Ｓを挟んで向かい合うように、隣接して配置されている。端面４１Ａ，４２Ａは、第２表面４１Ｂ，４２Ｂに近付くにしたがって互いの距離が大きくなるテーパ面となっている。なお、第１部材４１の端面および第２部材４２の端面は、テーパ面ではなくストレート面であってもよい。すなわち、端面４１Ａ、４２Ａは、開先がテーパ面ではなくストレート面であってもよい。

【0041】

第１溶接部２１は、空間Ｓを充填している。第１溶接部２１は、第１部材４１および第２部材４２を接合している。第１溶接部２１は、溶接によって形成された領域である。第１溶接部２１は、溶接時に溶融した領域が凝固することによって形成された部分である。第１溶接部２１は、底面２１Ｄにおいて裏当て材３１の第１表面３１Ａと接触している。第１溶接部２１は、裏当て材３１と接触する領域であるルート部２１Ｅを有してる。ルート部２１Ｅの幅であるルート間隔ｄ_２は、たとえば、４．０ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下とすることができる。

【0042】

裏当て材３１は、第１表面３１Ａにおいて、第１部材４１および第２部材４２の第１表面４１Ｃ，４２Ｃに接触するとともに、第１溶接部２１の底面２１Ｄに接触している。裏当て材３１は、空間Ｓのルート部２１Ｅ側（第１部材４１および第２部材４２の第１表面４１Ｃ，４２Ｃ側）の開口を閉じるように配置されている。裏当て材３１は、第１溶接部２１に接触する領域に、マルテンサイト組織を有する変態領域３１Ｆを含んでいる。

【0043】

本実施の形態においても、裏当て材３１は、単位質量あたりの体積がＭｓ点よりも室温において大きい鋼からなっていることにより、実施の形態１の場合と同様に、疲労破壊の起点となり得る第１溶接部２１のルート部２１Ｅ近傍の第１溶接部２１、第１部材４１および第２部材４２内の領域に、室温において圧縮応力が付与される。この圧縮の応力は、ルート部２１Ｅ近傍における残留応力を圧縮の状態とし、または引張の状態を緩和する。これにより、第１溶接部２１のルート部２１Ｅ近傍における亀裂の発生および伸展が阻害され、溶接構造物１０１の疲労強度が向上する。その結果、本実施の形態の溶接構造物１０１は、上記実施の形態１の箱型構造体１９と同様に、大型の溶接構造物にも適用可能な疲労強度が向上した溶接構造物となっている。

【0044】

（実施の形態３）
次に、図７を参照して、さらに他の実施の形態である実施の形態３について説明する。図７および図６を参照して、実施の形態３の溶接構造物１０１は、実施の形態２の溶接構造物１０１と基本的には同様の構造を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態３の溶接構造物１０１は、第２溶接部２２および第３溶接部２３をさらに含む点において、実施の形態２の場合とは異なっている。

【0045】

図７を参照して、第２溶接部２２は、外表面２２Ａと、第１側面２２Ｂと、第２側面２２Ｃとを含んでいる。第２溶接部２２は、第１側面２２Ｂにおいて裏当て材３１の第２表面３１Ｂに接触している。第２溶接部２２は、第２側面２２Ｃにおいて第１部材４１の第１表面４１Ｃに接触している。第２溶接部２２は、第１部材４１と裏当て材３１とを接合している。第２溶接部２２の形成に伴って、変態領域３１Ｆと同様のメカニズムにより、変態領域３１Ｈが、裏当て材３１内に形成される。

【0046】

第３溶接部２３は、外表面２３Ａと、第１側面２３Ｂと、第２側面２３Ｃとを含んでいる。第３溶接部２３は、第１側面２３Ｂにおいて裏当て材３１の第４表面３１Ｄに接触している。第３溶接部２３は、第２側面２３Ｃにおいて第２部材４２の第１表面４２Ｃに接触している。第３溶接部２３は、第２部材４２と裏当て材３１とを接合している。第３溶接部２３の形成に伴って、変態領域３１Ｆと同様のメカニズムにより、変態領域３１Ｇが、裏当て材３１内に形成される。

【0047】

本実施の形態の溶接構造物１０１においては、事前に第２溶接部２２および第３溶接部２３を形成して第１部材４１および第２部材４２と裏当て材３１とを接合しておき、その後、第１溶接部２１を形成することが可能となる。その結果、溶接構造物１０１の製造が容易となっている。また、変態領域３１Ｈ，３１Ｇが形成されることにより、その近傍の第２溶接部２２および第３溶接部２３内の領域に圧縮応力を付与することができる。これにより、第２溶接部２２および第３溶接部２３の当該領域における亀裂の発生および伸展を抑制することができる。さらに、第１溶接部２１の形成時における裏当て材３１の第１表面３１Ａに沿う方向における膨張を、第２溶接部２２および第３溶接部２３が拘束する。そのため、第２溶接部２２および第３溶接部２３の止端部２２Ｄ，２３Ｄ近傍に圧縮応力が付与される。この圧縮の応力は、第２溶接部および第３溶接部２３の止端部２２Ｄ，２３Ｄ近傍における残留応力を圧縮の状態とし、または引張の状態を緩和する。その結果、疲労破壊の起点となり得る第２溶接部および第３溶接部２３の止端部２２Ｄ，２３Ｄ近傍における亀裂の発生および伸展が阻害され、溶接構造物の疲労強度が向上する。なお、本実施の形態においては、第２溶接部２２および第３溶接部２３の両方が形成される場合について説明したが、いずれか一方のみが形成されてもよい。

【実施例0048】

本開示の溶接構造物を模した試験片を作製し、ルート部近傍の残留応力の分布を調査するとともに、疲労試験に供して疲労強度を確認する実験を行った。実験の手順は以下のとおりである。

【0049】

図８～図１０に、試験片の構造を示す。図８～図１０を参照して、試験片６０は、本体部６１と、裏当て材３１と、溶接部２５とを含む。本体部６１は、幅Ｗ_１が８０ｍｍ、長さＬ_２が４００ｍｍ、厚みｔ_５が１６ｍｍの板状の形状を有している。本体部６１の長手方向および幅方向の中央部には、第１主面６１Ａから第２主面６１Ｂまで厚み方向に貫通する貫通孔６１Ｅが形成されている。第１主面６１Ａ側から見た貫通孔６１Ｅの平面形状は、長さＬ_３が７１ｍｍ、幅Ｗ_２が１５ｍｍであって、角部を円弧状とした長方形状である。貫通孔６１Ｅの内壁面は、厚み方向に垂直な貫通孔６１Ｅの断面が、第１主面６１Ａから第２主面６１Ｂに近付くにしたがって、その面積が小さくなるテーパ面となっている。第２主面６１Ｂにおいて、貫通孔６１Ｅの断面の面積が最も小さくなる。第２主面６１Ｂ側の開口における貫通孔６１Ｅは、長さＬ_４が６０ｍｍ、幅Ｗ_３が４ｍｍであって、角部を円弧状とした長方形状を有している。本体部を構成する材料は、ＪＩＳ規格ＳＳ４００である。

【0050】

第２主面６１Ｂ側の貫通孔６１Ｅの開口を閉じるように、裏当て材３１が配置されている。裏当て材３１は、平面形状が長方形状の板状の形状を有する。本体部６１および裏当て材３１がこのように配置された状態で、溶接を実施し、貫通孔６１Ｅ内を充填するように溶接部２５を形成した。その結果、溶接部２５が、裏当て材３１の第１表面３１Ａに接触する状態で、裏当て材３１が溶接部２５に対して固定された。裏当て材３１を構成する材料としては、０．０５５質量％のＣと、０．１７質量％のＳｉと、０．２５質量％のＭｎと、１０．０２質量％のＮｉとを含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を採用した。裏当て材３１は、長さＬ_１が８０ｍｍ、幅Ｗ_４が２０ｍｍ（図示略）の板状の形状を有している。裏当て材３１の厚みｔ_６は、９ｍｍである。また、溶接に用いた溶接ワイヤは、ＪＩＳ規格ＹＧＷ１１である。以上の手順により、試験片６０を得た（実施例）。一方、比較のため、裏当て材３１の材料としてＪＩＳ規格ＳＳ４００を用いた試験片も作製した（比較例）。さらに、実施例および比較例のそれぞれについて、図１１に示すように、溶接部２５の形成前に、第２溶接部２２および第３溶接部２３を形成した試験片も作製した。

【0051】

得られた図８～図１０の試験片について、ルート部に対応する溶接部２５と裏当て材３１との界面近傍の本体部６１における残留応力の分布を測定した。残留応力は、Ｘ線回折により測定した。図１２に測定結果を示す。図１２において、横軸は溶接部２５と裏当て材３１との界面（ルート）からの距離に対応する。縦軸は残留応力に対応し、値は引張応力を正、圧縮応力を負とした任意単位で示されている。実施例、比較例とも、それぞれ３つの試験片について測定を実施した（実施例１～３、比較例１～３）。実施例のデータ点は中実のデータ点、比較例のデータ点は中空のデータ点で表示されている。

【0052】

図１２を参照して、本開示の実施例に対応する試験片では、ルート部近傍（溶接部２５と裏当て材３１との界面付近）において、残留応力が圧縮の状態、または引張の状態が緩和された状態となっていることが分かる。これは、上記の通り、裏当て材３１が、単位質量あたりの体積がＭｓ点よりも室温において大きい鋼からなっていることの効果であると考えられる。

【0053】

また、図１１の試験片について、第２溶接部２２および第３溶接部２３の止端部近傍の本体部６１における残留応力の分布を測定した。残留応力は、Ｘ線回折により測定した。図１３に測定結果を示す。図１３において、横軸は第２溶接部２２および第３溶接部２３の止端部からの距離に対応する。縦軸は残留応力に対応し、値は引張応力を正、圧縮応力を負とした任意単位で示されている。実施例、比較例とも、それぞれ２つの試験片について測定を実施した（実施例４～５、比較例４～５）。実施例のデータ点は中実のデータ点、比較例のデータ点は中空のデータ点で表示されている。

【0054】

図１３を参照して、本開示の実施例に対応する試験片では、第２溶接部２２および第３溶接部２３の止端部近傍において、引張応力が低減された状態となっていることが分かる。これは、上記の通り、裏当て材３１が、単位質量あたりの体積がＭｓ点よりも室温において大きい鋼からなっていることの効果であると考えられる。

【0055】

次に、図８～図１０の試験片６０および図１１の試験片６０を用いて４点曲げ疲労試験を実施した。図１４は、疲労試験の実施方法を説明するための概略図である。図１４を参照して、疲労試験では、内側ピン７１および外側ピン７２により試験片６０を厚み方向に挟んだ状態で曲げ荷重を繰り返し付与した。外側ピン７２は、試験片６０の長手方向の両端部に配置され、試験片６０を固定している。内側ピン７１は、裏当て材３１が設置される領域を挟んで配置され、矢印αおよび矢印βに沿って変位することにより、試験片６０に曲げ荷重を負荷する。試験片６０の長手方向における内側ピン７１同士の距離Ｌ_５は１５０ｍｍ、外側ピン７２同士の距離Ｌ_６は３５０ｍｍとした。荷重は両振り、応力比Ｒは－１、負荷繰り返しの周波数は８Ｈｚとした。そして、試験片６０が破壊するまでの各応力における負荷の繰り返し数を調査した。試験結果を図１５および図１６に示す。

【0056】

図１５は、図８～図１０の試験片の疲労試験の結果を示す図（Ｓ－Ｎ曲線）である。図１６は、図１１の試験片の疲労試験の結果を示す図（Ｓ－Ｎ曲線）である。図１５および図１６において、横軸は負荷の繰り返し回数に対応する。縦軸は、負荷された公称応力に対応し、値は任意単位で示されている。図１５および図１６において、実施例のデータ点は四角形のデータ点、比較例のデータ点は円形のデータ点で示されている。なお、図８～図１０の試験片を用いた４点曲げ疲労試験では、試験片６０の破壊は、全てルート部近傍を起点に生じた。また、図１１の試験片を用いた４点曲げ疲労試験では、試験片６０の破壊は、全て第２溶接部２２および第３溶接部２３の止端部近傍を起点に生じた。

【0057】

図１５を参照して、実施例の試験片の疲労強度は、比較例の試験片の疲労強度を明確に上回っている。負荷される応力が同じであれば、実施例は比較例の約６倍の寿命を有している。これは、破壊の起点となるルート部近傍において、残留応力が圧縮の状態、または引張が緩和された状態となっていることに起因するものと考えられる。また、図１６を参照して、第２溶接部２２および第３溶接部２３を形成した場合でも、実施例の試験片の疲労強度は、比較例の試験片の疲労強度を明確に上回っている。これは、破壊の起点となる第２溶接部２２および第３溶接部２３の止端部近傍において、引張の状態の残留応力が緩和された状態となっていることに起因するものと考えられる。以上の実験結果より、本開示の溶接構造物によれば、疲労強度が向上した溶接構造物を提供できることが確認される。

【0058】

なお、上記実施の形態および実施例においては、裏当て材の一部が変態領域である場合について説明したが、裏当て材の全域が変態領域であってもよい。また、上記実施の形態においては、作業車両の一例として油圧ショベルを例示したが、本開示の作業車両は、電動ショベル、ダンプトラック、モータグレーダ、ホイールローダなど、種々の作業車両に適用することができる。また、本開示の溶接構造物が油圧ショベルの作業機に含まれる場合について説明したが、溶接構造物は、ショベルの作業機、ダンプトラックのフレーム、モータグレーダのフレーム、ホイールローダのフレームや作業機など、広く適用することができる。

【0059】

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって規定され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0060】

１ 走行体、１Ａ 履帯、３ 旋回体、４ 作業機、５ ブーム、６ アーム、７ バケット、８ 運転室、１１ 上板、１１Ａ 内表面、１１Ｂ 外表面、１１Ｃ 端面、１２ 左側板、１２Ａ 端面、１２Ｂ 内表面、１２Ｃ 外表面、１３ 右側板、１４ 下板、１５ ブームフートブラケット、１６ アーム取付ブラケット、１７ ブームシリンダ取付部、１８ アームシリンダ取付部、１９ 箱型構造体、２１ 第１溶接部、２１Ａ 外表面、２１Ｂ 第２側面、２１Ｃ 第１側面、２１Ｄ 底面、２１Ｅ ルート部、２２ 第２溶接部、２２Ａ 外表面、２２Ｂ 第１側面、２２Ｃ 第２側面、２２Ｄ 止端部、２３ 第３溶接部、２３Ａ 外表面、２３Ｂ 第１側面、２３Ｃ 第２側面、２３Ｄ 止端部、２５ 溶接部、３１ 裏当て材、３１Ａ 第１表面、３１Ｂ 第２表面、３１Ｃ 第３表面、３１Ｄ 第４表面、３１Ｆ 変態領域、３１Ｇ 変態領域、３１Ｈ 変態領域、４１ 第１部材、４１Ａ 端面、４１Ｂ 第２表面、４１Ｃ 第１表面、４２ 第２部材、４２Ｃ 第１表面、６０ 試験片、６１ 本体部、６１Ａ 第１主面、６１Ｂ 第２主面、６１Ｅ 貫通孔、７１ 内側ピン、７２ 外側ピン、１００ 油圧ショベル、１０１ 溶接構造物。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】