推進軸のバランスウェイト溶接方法
【課題】通常鋼管を用いた推進軸のバランスウェイト溶接方法に関し、推進軸を構成する通常鋼管へバランスウェイトを溶接する溶接部の残留応力の除去及び熱影響部硬さの低減を図り、捻り疲労強度の向上を図ることができるようにする。
【解決手段】通常鋼管２１の両端に継手部材１２，１３を溶接した推進軸１４の通常鋼管２１の表面にバランスウェイト１５，１６を抵抗溶接により溶接する推進軸のバランスウェイト溶接方法であって、電流値を５ｋＡ〜２０ｋＡ、且つ通電時間を１５サイクル〜４０サイクルとした前段溶接と、電流値を１０ｋＡ〜２４ｋＡ、且つ通電時間を１００サイクル〜３００サイクルとした後段溶接とから成る一対の溶接処理を同一の溶接装置により行なうように構成する。
【解決手段】通常鋼管２１の両端に継手部材１２，１３を溶接した推進軸１４の通常鋼管２１の表面にバランスウェイト１５，１６を抵抗溶接により溶接する推進軸のバランスウェイト溶接方法であって、電流値を５ｋＡ〜２０ｋＡ、且つ通電時間を１５サイクル〜４０サイクルとした前段溶接と、電流値を１０ｋＡ〜２４ｋＡ、且つ通電時間を１００サイクル〜３００サイクルとした後段溶接とから成る一対の溶接処理を同一の溶接装置により行なうように構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通常鋼管を用い、両端に継手部材が溶接され、回転の不釣り合いを調整するバランスウェイトが取り付けられた推進軸であって、捻り疲労強度特性に優れた推進軸のバランスウェイト溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のエンジンの駆動力を変速機から終減速装置に伝達する推進軸（プロペラシャフト）は、例えば、図３に示すように鋼管１の一側端に継手部材としてのジョイント２が、他側端に滑り継手（スプライン）３が溶接されて２継手形推進軸４が構成されている。
推進軸４は、鍛造品であるジョイント２、滑り継手３の重量バランス、溶接部の肉盛りの不均一等に起因する不釣り合いや取付部の偏心により振れ回り運動をしており、不釣り合いに起因する車体振動やこもり音、各部共振による破損の防止のため不釣り合いを極力少なくすることが必要であり、特に、高速回転時に振動が少ないことが重要である。
【０００３】
不釣り合いの修正は、図示するような２継手形推進軸４では２箇所で行われ、鋼管１のジョイント２側端部近傍及び滑り継手３側端部近傍の表面に夫々バランスウェイト５、６を取り付けて周方向の重量バランス調整が行われる。バランスウェイト５、６は、プロジェクション部（突起部）５ａ、６ａが鋼管１の表面に加圧された状態でプロジェクション溶接、スポット溶接等の電気抵抗溶接により溶接される。
【０００４】
推進軸４には、軽量化（薄肉化）等を図るために鋼管１の材料として高張力鋼管（ハイテン材）が採用される傾向にあるが、より安価な通常鋼板を用いる場合もある。なお、ここで、高張力鋼管とは、引張り強さが７３５ＭＰａ級以上の鋼管であり、通常鋼管とは、引張り強さが７３５ＭＰａ級未満の鋼管であるものとする。
このような推進軸４では、薄肉化により捻り疲労の最弱部がバランスウェイト溶接部となり、捻り疲労強度が低下して溶接部に亀裂７が発生することがある。疲労強度の低下の原因としては、バランスウェイト５，６を鋼管１にプロジェクション溶接やスポット溶接による溶接部の急加熱、急冷による引張残留応力等の影響によるものである。
【０００５】
そこで、推進軸４に高張力鋼管を用いる場合の捻り疲労改善対策として、バランスウェイト溶接後、溶接部を局所的あるいは推進軸全体を５５０℃〜８５０℃に加熱（後熱処理）する方法（例えば、特許文献１参照。）、バランスウェイトのプロジェクション溶接による残留応力等の発生軽減のため、鋼管材料の低炭素化、バランスウェイト材料も引張強さ７０ｋｇｆ／ｍｍ2以上のものを使用し、短時間接合する方法（例えば、特許文献２参照。）等が提案されている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術は、鋼管にバランスウェイトを溶接する設備とは別に後熱処理をするための熱源及び設備を設けて、バランスウェイトの溶接部を加熱しなければ後熱効果がなく、捻り疲労強度の向上を図ることができず、設備費、工程時間が大幅に増加してコストアップになる。また、特許文献２の技術は、短時間接合であり、接合部の信頼性が低く、捻り疲労強度にバラツキが大きく接合部の信頼性が低い。さらに、バランスウェイトの高張力鋼化は、材料費の増加、他の材質のバランスウェイトと混ざらないように管理が必要である等の課題が残る。
【０００７】
そこで、本願発明者らは、推進軸を構成する高張力鋼管へのバランスウェイト溶接を、同一の溶接装置により前段溶接と後段溶接とから成る一対の溶接処理にて行ない、溶接部の残留応力の除去及び熱影響部硬さの低減を図り、捻り疲労強度の向上を図ることができる推進軸のバランスウェイト溶接方法を提案した（特許文献３参照。）。
【特許文献１】特開平６−２４６４４０号公報
【特許文献２】特許第３１８７２７４号公報
【特許文献３】特開２００５−１０３５７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述の特許文献１〜３のうち特許文献３は、より効果的な捻り疲労改善対策であると言えるが、上述の特許文献１〜３の技術は、何れも推進軸４に高張力鋼管を用いる場合の技術である。前述のように、推進軸４をより安価に製造するためには、推進軸４の鋼管１の材料として通常鋼板を用いる場合もある。
上述の推進軸４のバランスウェイト溶接部が、薄肉化により捻り疲労の最弱部となり、捻り疲労強度の低下からこの溶接部に亀裂が発生するという課題は、推進軸４の鋼管１に通常鋼板を用いた場合も生じるものであり、推進軸４に通常鋼管を用いる場合にも、有効な捻り疲労改善対策の開発が求められている。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、推進軸を構成する通常鋼管へのバランスウェイト溶接を、同一の溶接装置により前段溶接と後段溶接とから成る一対の溶接処理にて行なうようにしながら、条件設定を適切なものにすることにより、溶接部の残留応力の除去及び熱影響部硬さの低減を図り、捻り疲労強度の向上を図ることができるようにした、推進軸のバランスウェイト溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、通常鋼管の両端に継手部材を溶接した推進軸の前記通常鋼管の表面にバランスウェイトを抵抗溶接により溶接する、推進軸のバランスウェイト溶接方法であって、電流値を５ｋＡ〜２０ｋＡとすると共に通電時間を１５サイクル〜４０サイクルとした前段溶接と、電流値を１０ｋＡ〜２４ｋＡとすると共に通電時間を１００サイクル〜３００サイクルとした後段溶接と、から成る一対の溶接処理を同一の溶接装置により行なうことを特徴としている。
【００１０】
後段溶接の通電時間については、より好ましくは１２０サイクル〜３００サイクル、更に好ましくは、１５０サイクル〜３００サイクルとする。
バランスウェイトのプロジェクション溶接を、前段溶接と後段溶接とから成る一対の溶接処理を同一の溶接装置にて実施し、前段溶接によりバランスウェイトのプロジェクション部を通常鋼管に溶着し、後段溶接により溶接部（ナゲット）と母材としての通常鋼管との間に後熱効果部を形成する。前段溶接及び後段溶接の各溶接条件を最適化することで、溶接部の残留応力及び熱影響部硬さを低減することができる。
【００１１】
前段溶接の条件は、電流値を大きく、通電時間を短くしてバランスウェイトのプロジェクション部の溶接面積を小さくして通常鋼管への影響を少なくし、後段溶接の条件は、前段溶接よりも電流値を小さく、通電時間を長くして溶接部の後熱効果部の均一な移熱効果を得るようにしている。
請求項２の発明は、前記後段溶接は、前段溶接後１サイクル以上のクール時間後に行なうことを特徴としている。
【００１２】
前段溶接後、１サイクル以上のクール時間をおいて後段溶接を行なうことで、前段溶接によるバランスウェイトのプロジェクション部の溶接と後段溶接による溶接部の後熱効果とを分けて前段溶接による後熱効果への影響をなくす。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、バランスウェイトのプロジェクション溶接を、前段溶接と後段溶接とから成る一対の溶接処理を同一の溶接装置にて実施し、前段溶接及び後段溶接の各溶接条件を最適化することで、溶接部は、後熱効果により残留応力及び熱影響部硬さを低減することができ、溶接割れ及び捻り疲労強度の向上を図ることができる。
そして、前段溶接は、電流値を大きく、通電時間を短くすることで、バランスウェイトのプロジェクション部の溶接面積を小さくして、母材である通常鋼管への影響を少なくすることができ、後段溶接は、前段溶接よりも電流値を小さく、通電時間を長くすることで、溶接部の後熱効果部の均一な移熱効果を得ることができ、バランスウェイトの溶接部の残留応力の除去、熱影響部硬さの低減をバラツキなく安定して実施することができる。
【００１４】
また、同一の溶接設備にて短時間の後段溶接工程を実施するだけでよく、設備の増設の必要がなく、現状のライン設備、冶具を使用してインライン化で行なうことができ、バランスウェイト材料も変更がないためにコストアップも殆どない。
請求項２の発明によれば、前段溶接後１サイクル以上のクール時間をおいて後段溶接を行なうことで、前段溶接によるバランスウェイトのプロジェクション部の溶接と後段溶接によるナゲットの後熱効果とを分けることができ、前段溶接による後熱効果への影響をなくすことができ、良好な後熱効果部を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明者は、上記の問題を解決するために通常鋼管の両端に継手部材を溶接し、この通常鋼管に電気抵抗溶接（プロジェクション溶接）によりバランスウェイトを溶接した推進軸における前記バランスウェイトの溶接部の溶接割れ及び捻り疲労強度に及ぼす影響に関して種々研究し、以下の知見を得た。
バランスウェイトのプロジェクション溶接は、従来から１回通電にて実施されているが、前段溶接（通電Ｉ）と後段溶接（通電II）とから成る一対の溶接処理を同一の溶接装置にて実施し、前段溶接によりバランスウェイトのプロジェクション部（突起部）を通常鋼管に溶着し、後段溶接により溶接部（ナゲット）と通常鋼管（母材）との間に後熱効果部を形成する。そして、前段溶接及び後段溶接の各溶接条件を最適化することで、溶接部は、後熱効果により残留応力及び熱影響部硬さが低減し、溶接割れ及び捻り疲労強度が改善される。
【００１６】
前段溶接の条件は、電流値を大きく、通電時間を短くし、具体的には、電流値を５ｋＡ〜２０ｋＡ、通電時間を１５サイクル〜４０サイクルとして、バランスウェイトのプロジェクション部の溶接面積を小さくして、通常鋼管への影響を少なくする。また、後段溶接の条件は、前段溶接よりも電流値を小さく、通電時間を長くし、具体的には、電流値を１０ｋＡ〜２４ｋＡ、通電時間を１００サイクル〜３００サイクルとして、溶接部の後熱効果部の均一な移熱効果を得る。後段溶接の通電時間は、より好ましくは１２０サイクル〜３００サイクル、更に好ましくは、１５０サイクル〜３００サイクルとする。
【００１７】
更に、前段溶接後１サイクル以上のクール時間をおいて後段溶接を行ない、前段溶接によるバランスウェイトのプロジェクション部の溶接処理と後段溶接による溶接部の後熱効果処理とを分けて前段溶接による後熱効果への影響をなくす。
なお、前段溶接は、バランスウェイトのプロジェクション部の溶接であり、後段溶接は、溶接部の後熱効果部を得るためのもので厳密には溶接とは異なるものであるが後段溶接と称する。
【実施例】
【００１８】
（１）使用した部材
推進軸の中空鋼管として、
材質：引張強さ７３５ＭＰａ級未満の通常鋼管
サイズ：φ１１４．３ｍｍ×４ｍｍ（肉厚）
を用い、
バランスウェイトとして、
材質：引張強さ２７０ＭＰａ級鋼板（軟鋼材）
サイズ：板厚２．３ｍｍ、長さ１４〜８３．５ｍｍ×幅４０ｍｍ
プロジェクション部：φ５．５ｍｍ×高さ１．１ｍｍ×２個
を用いた。
（２）捻り疲労試験
図１に示すように（１）の通常鋼管２１の両端に継手部材としてのジョイント１２、滑り継手１３を溶接して推進軸１４を構成し、通常鋼管２１のジョイント１２側端部近傍及び滑り継手１３側端部近傍の表面に夫々（１）のバランスウェイト１５、１６を、プロジェクション部（突起部）１５ａ，１６ａに１０ｋｇｆ〜１０００ｋｇｆの加圧力を加えてプロジェクション溶接により溶接した推進軸モデル２０を１１体（試験体Ａ〜Ｋ）を製作した。図２は、図１の溶接部の拡大断面図である。
【００１９】
バランスウェイト１５，１６の溶接は、前段溶接（通電Ｉ）と後段溶接（通電II）各１回の２回通電とし、前段溶接の条件は、電流値を５ｋＡ〜２０ｋＡの範囲、通電時間を１５サイクル〜４０サイクルの範囲、後段溶接の条件は、電流値を一部の比較例を除いて、１０ｋＡ〜２４ｋＡの範囲、通電時間を一部の比較例を除いて、１００サイクル〜３００サイクルの範囲とした。
【００２０】
捻り疲労試験機は、電気油圧式捻り疲労試験機を用い、負荷トルク一定にて試験体Ａ〜Ｋの捻り疲労試験を行った。また、図２に砂地で示す溶接部（ナゲット）１７と通常鋼管２１との間に形成される後熱効果部１８の×印で示す部位における熱影響部硬さ（ＨＶ）を測定した。その結果を表１に示す。
（３）試験結果
実施例Ａ，Ｂ及び比較例Ｄ，Ｅ，Ｈ〜Ｊは、前段溶接及び後段溶接の条件が本発明で規定した範囲内であり、実施例Ａ，Ｂについては疲労寿命の繰り返し数が１００万回以上であり、破損が発生した場合（実施例Ｂ）の破損部位はジョイント部であった。これは、溶接部１７の強度が十分にあり、且つ後熱効果部１８に均一な移熱効果が得られた結果、溶接部１７の捻り疲労強度が増し、ジョイント１２が破損したものである。熱影響部硬さを見ると、実施例Ａは３１９〜３７４ＨＶ、実施例Ｂは３０４〜３３１ＨＶと、破損を招き難い値として想定される想定上限値４００ＨＶよりも、十分に低くなっている。
【００２１】
比較例Ｄ，Ｅ，Ｈ〜Ｊについては、疲労寿命の試験を行なっていないが、一部の例に、部分的に想定上限値４００ＨＶよりも高い箇所が出現するものの概ね想定上限値４００ＨＶよりも低くなっている。
このように本発明による溶接方法を用いれば、バランスウェイト１５，１６と通常鋼管２１との溶接部の接合強度を向上させることができ、バランスウェイト接合部の捻り疲労強度を大きく改善することができる。以下、各例について説明する。
【００２２】
実施例Ａ，Ｂは、いずれも、前段溶接の電流値を大きく、通電時間を短くしたことでバランスウェイトのプロジェクション部の溶接面積が小さくなって通常鋼管（母材）２１への影響が少なく、後段溶接の電流値を前段溶接よりも小さくし（約７５％）、通電時間を前段溶接よりも大幅に長く（約１５倍）としたことで後熱効果部の均一な移熱効果が得られ、溶接部の捻り疲労強度が高くなって、実施例Ａの場合は、１０００万回の疲労寿命の繰り返し試験でも破損が生じなかった。また、実施例Ｂの場合は、溶接部の捻り疲労強度が高くなってジョイント部で破損したが、疲労寿命の繰り返し数は１９１万回と十分に長寿命であった。従って、実施例Ａ，Ｂは、前段溶接及び後段溶接の条件が最適条件に近いものと推定される。熱影響部硬さは想定上限値４００ＨＶよりも十分に低くなっている。
【００２３】
一方、比較例Ｃは、他の例とは大きく異なる条件であって、前段溶接及び後段溶接の時間サイクル条件が近似しており、また、前段溶接の電流値が低く設定され、さらに、後段溶接の電流値は２．５ｋＡと前段溶接の電流値１０ｋＡの四分の一とさらに低く設定される。この場合、熱影響硬さ（ＨＶ）が高くなり、溶接部の脆性が進むことから、疲労寿命の繰り返し数が３３９万回と高いもののバランスウェイトにおいて破損したものと考えられる。なお、熱影響部硬さは４６４〜４７５ＨＶと、想定上限値４００ＨＶを大きく越えている。
【００２４】
比較例Ｄ，Ｅは、実施例Ａ，Ｂに対して、後段溶接の通電時間のみを変更したもので、比較例Ｄは後段溶接の通電時間が１００サイクル、比較例Ｅは後段溶接の通電時間が１５０サイクルと短く設定されている。比較例Ｄ，Ｅとも、疲労試験は実施していないが、熱影響部硬さを見ると、比較例Ｄは３１０〜４１２ＨＶと一部の検査箇所で想定上限値４００ＨＶを超えているものの概ね想定上限値４００ＨＶよりも低くなっている。比較例Ｅは３０８〜３８１ＨＶと全ての検査箇所で想定上限値４００ＨＶよりも低くなっている。したがって、通電時間として１００サイクルが下限と考えられ、通電時間として１５０サイクルあれば十分であるとも判定することができる。
【００２５】
比較例Ｆ，Ｇは、前段溶接の電流値を実施例Ａ，Ｂや比較例Ｄ，Ｅよりも低く、前段溶接の通電時間を実施例Ａ，Ｂや比較例Ｄ，Ｅよりも長く設定し、後段溶接の電流値を実施例Ａ，Ｂや比較例Ｄ，Ｅよりも低く、後段溶接の通電時間を比較例Ｅレベルに設定したものである。熱影響部硬さを見ると、比較例Ｆ，Ｇは想定上限値４００ＨＶを大きく超えた検査箇所がある。
【００２６】
比較例Ｈ，Ｉは、前段溶接の電流値を比較例Ｆ，Ｇと同レベルとし、前段溶接の通電時間を比較例Ｆ，Ｇよりも短く設定し、後段溶接の電流値及び通電時間を比較例Ｆ，Ｇレベルに設定したものである。熱影響部硬さを見ると、比較例Ｈ，Ｉも想定上限値４００ＨＶを大きく超えた検査箇所がある。
これらの比較例Ｆ〜Ｉから、後段溶接の電流値が低すぎると、溶接部の接合強度を十分に向上させることができないものと考えられる。
【００２７】
比較例Ｊは、後段溶接の通電時間のみを実施例Ａ，Ｂよりも短くし、他は実施例Ａ，Ｂと同様に設定したものであり、比較例Ｋは、前段溶接の電流値を実施例Ａ，Ｂよりも低く、前段溶接の通電時間を実施例Ａ，Ｂよりも短く設定し、後段溶接の電流値を比較例Ｊよりもやや高く通電時間は比較例Ｊと同様に設定したものである。
比較例Ｊ，Ｋともに、熱影響部硬さは、全ての検査箇所で想定上限値４００ＨＶよりも低くなっている。
【００２８】
したがって、比較例Ｋから、前段溶接の電流値や通電時間にも幅をもたせることができることが裏付けられる。
【００２９】
【表１】
【００３０】
表１から明らかなように、バランスウェイトのプロジェクション溶接において前段溶接と後段溶接の溶接処理を行ない、前段溶接（通電Ｉ）は、電流値を５ｋＡ〜２０ｋＡ、且つ通電時間を１５サイクル〜４０サイクルの条件とし、後段溶接（通電II）は、電流値を１０ｋＡ〜２４ｋＡ、且つ通電時間を１００サイクル〜３００サイクル、より好ましくは１２０サイクル〜３００サイクル、更に好ましくは、１５０サイクル〜３００サイクル、の条件下で、前段溶接後１サイクル以上のクール時間をおいて後段溶接を行なうことで、溶接部の残留応力の除去、熱影響部硬さの低減をバラツキなく安定して実施することができ、捻り疲労強度の向上を図ることができた。
【００３１】
また、同一の溶接設備にて短時間の後段溶接工程のみを実施するだけでよく、設備の増設の必要がなく、現状のライン設備、冶具を使用してインライン化で行なうことができ、バランスウェイト材料（軟鋼材）も変更がないためにコストアップも殆どなく、加工時間も１〜２秒溶接時間が延長されるだけ、バラつきのない高品質の溶接部を得ることができる。
【００３２】
なお、上記実施例においては、溶接処理を前段溶接と後段溶接とから成る一対の溶接処理とし、後段溶接を１回としたが、１回目の後段溶接の後に、更に、同様又は異なる条件（ただし、１回目の後段溶接に対して電流値を１０ｋＡ〜２４ｋＡ、通電時間を１００サイクル〜３００サイクル）で２回目の後段溶接を行ない、後熱処理を実施してもよい。このように後段溶接を２回実施することで溶接部（ナゲット）の後熱効果を更に有効にすることが可能である。また、上記実施例ではプロジェクション溶接について説明したが、スポット溶接にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る推進軸のバランスウェイト溶接方法を適用した推進軸の斜視図である。
【図２】図１のバランスウェイトの溶接部の拡大断面図である。
【図３】従来の溶接方法によりバランスウェイトを溶接した推進軸の捻り疲労により亀裂が発生する場合の説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
１２ ジョイント（継手部材）
１３ 滑り継手（継手部材）
１４ 推進軸
１５，１６ バランスウェイト
１５ａ，１６ａ プロジェクション部
１７ 溶接部
１８ 後熱効果部
２０ 推進軸モデル（試験体）
２１ 通常鋼管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通常鋼管を用い、両端に継手部材が溶接され、回転の不釣り合いを調整するバランスウェイトが取り付けられた推進軸であって、捻り疲労強度特性に優れた推進軸のバランスウェイト溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のエンジンの駆動力を変速機から終減速装置に伝達する推進軸（プロペラシャフト）は、例えば、図３に示すように鋼管１の一側端に継手部材としてのジョイント２が、他側端に滑り継手（スプライン）３が溶接されて２継手形推進軸４が構成されている。
推進軸４は、鍛造品であるジョイント２、滑り継手３の重量バランス、溶接部の肉盛りの不均一等に起因する不釣り合いや取付部の偏心により振れ回り運動をしており、不釣り合いに起因する車体振動やこもり音、各部共振による破損の防止のため不釣り合いを極力少なくすることが必要であり、特に、高速回転時に振動が少ないことが重要である。
【０００３】
不釣り合いの修正は、図示するような２継手形推進軸４では２箇所で行われ、鋼管１のジョイント２側端部近傍及び滑り継手３側端部近傍の表面に夫々バランスウェイト５、６を取り付けて周方向の重量バランス調整が行われる。バランスウェイト５、６は、プロジェクション部（突起部）５ａ、６ａが鋼管１の表面に加圧された状態でプロジェクション溶接、スポット溶接等の電気抵抗溶接により溶接される。
【０００４】
推進軸４には、軽量化（薄肉化）等を図るために鋼管１の材料として高張力鋼管（ハイテン材）が採用される傾向にあるが、より安価な通常鋼板を用いる場合もある。なお、ここで、高張力鋼管とは、引張り強さが７３５ＭＰａ級以上の鋼管であり、通常鋼管とは、引張り強さが７３５ＭＰａ級未満の鋼管であるものとする。
このような推進軸４では、薄肉化により捻り疲労の最弱部がバランスウェイト溶接部となり、捻り疲労強度が低下して溶接部に亀裂７が発生することがある。疲労強度の低下の原因としては、バランスウェイト５，６を鋼管１にプロジェクション溶接やスポット溶接による溶接部の急加熱、急冷による引張残留応力等の影響によるものである。
【０００５】
そこで、推進軸４に高張力鋼管を用いる場合の捻り疲労改善対策として、バランスウェイト溶接後、溶接部を局所的あるいは推進軸全体を５５０℃〜８５０℃に加熱（後熱処理）する方法（例えば、特許文献１参照。）、バランスウェイトのプロジェクション溶接による残留応力等の発生軽減のため、鋼管材料の低炭素化、バランスウェイト材料も引張強さ７０ｋｇｆ／ｍｍ2以上のものを使用し、短時間接合する方法（例えば、特許文献２参照。）等が提案されている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術は、鋼管にバランスウェイトを溶接する設備とは別に後熱処理をするための熱源及び設備を設けて、バランスウェイトの溶接部を加熱しなければ後熱効果がなく、捻り疲労強度の向上を図ることができず、設備費、工程時間が大幅に増加してコストアップになる。また、特許文献２の技術は、短時間接合であり、接合部の信頼性が低く、捻り疲労強度にバラツキが大きく接合部の信頼性が低い。さらに、バランスウェイトの高張力鋼化は、材料費の増加、他の材質のバランスウェイトと混ざらないように管理が必要である等の課題が残る。
【０００７】
そこで、本願発明者らは、推進軸を構成する高張力鋼管へのバランスウェイト溶接を、同一の溶接装置により前段溶接と後段溶接とから成る一対の溶接処理にて行ない、溶接部の残留応力の除去及び熱影響部硬さの低減を図り、捻り疲労強度の向上を図ることができる推進軸のバランスウェイト溶接方法を提案した（特許文献３参照。）。
【特許文献１】特開平６−２４６４４０号公報
【特許文献２】特許第３１８７２７４号公報
【特許文献３】特開２００５−１０３５７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述の特許文献１〜３のうち特許文献３は、より効果的な捻り疲労改善対策であると言えるが、上述の特許文献１〜３の技術は、何れも推進軸４に高張力鋼管を用いる場合の技術である。前述のように、推進軸４をより安価に製造するためには、推進軸４の鋼管１の材料として通常鋼板を用いる場合もある。
上述の推進軸４のバランスウェイト溶接部が、薄肉化により捻り疲労の最弱部となり、捻り疲労強度の低下からこの溶接部に亀裂が発生するという課題は、推進軸４の鋼管１に通常鋼板を用いた場合も生じるものであり、推進軸４に通常鋼管を用いる場合にも、有効な捻り疲労改善対策の開発が求められている。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、推進軸を構成する通常鋼管へのバランスウェイト溶接を、同一の溶接装置により前段溶接と後段溶接とから成る一対の溶接処理にて行なうようにしながら、条件設定を適切なものにすることにより、溶接部の残留応力の除去及び熱影響部硬さの低減を図り、捻り疲労強度の向上を図ることができるようにした、推進軸のバランスウェイト溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、通常鋼管の両端に継手部材を溶接した推進軸の前記通常鋼管の表面にバランスウェイトを抵抗溶接により溶接する、推進軸のバランスウェイト溶接方法であって、電流値を５ｋＡ〜２０ｋＡとすると共に通電時間を１５サイクル〜４０サイクルとした前段溶接と、電流値を１０ｋＡ〜２４ｋＡとすると共に通電時間を１００サイクル〜３００サイクルとした後段溶接と、から成る一対の溶接処理を同一の溶接装置により行なうことを特徴としている。
【００１０】
後段溶接の通電時間については、より好ましくは１２０サイクル〜３００サイクル、更に好ましくは、１５０サイクル〜３００サイクルとする。
バランスウェイトのプロジェクション溶接を、前段溶接と後段溶接とから成る一対の溶接処理を同一の溶接装置にて実施し、前段溶接によりバランスウェイトのプロジェクション部を通常鋼管に溶着し、後段溶接により溶接部（ナゲット）と母材としての通常鋼管との間に後熱効果部を形成する。前段溶接及び後段溶接の各溶接条件を最適化することで、溶接部の残留応力及び熱影響部硬さを低減することができる。
【００１１】
前段溶接の条件は、電流値を大きく、通電時間を短くしてバランスウェイトのプロジェクション部の溶接面積を小さくして通常鋼管への影響を少なくし、後段溶接の条件は、前段溶接よりも電流値を小さく、通電時間を長くして溶接部の後熱効果部の均一な移熱効果を得るようにしている。
請求項２の発明は、前記後段溶接は、前段溶接後１サイクル以上のクール時間後に行なうことを特徴としている。
【００１２】
前段溶接後、１サイクル以上のクール時間をおいて後段溶接を行なうことで、前段溶接によるバランスウェイトのプロジェクション部の溶接と後段溶接による溶接部の後熱効果とを分けて前段溶接による後熱効果への影響をなくす。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、バランスウェイトのプロジェクション溶接を、前段溶接と後段溶接とから成る一対の溶接処理を同一の溶接装置にて実施し、前段溶接及び後段溶接の各溶接条件を最適化することで、溶接部は、後熱効果により残留応力及び熱影響部硬さを低減することができ、溶接割れ及び捻り疲労強度の向上を図ることができる。
そして、前段溶接は、電流値を大きく、通電時間を短くすることで、バランスウェイトのプロジェクション部の溶接面積を小さくして、母材である通常鋼管への影響を少なくすることができ、後段溶接は、前段溶接よりも電流値を小さく、通電時間を長くすることで、溶接部の後熱効果部の均一な移熱効果を得ることができ、バランスウェイトの溶接部の残留応力の除去、熱影響部硬さの低減をバラツキなく安定して実施することができる。
【００１４】
また、同一の溶接設備にて短時間の後段溶接工程を実施するだけでよく、設備の増設の必要がなく、現状のライン設備、冶具を使用してインライン化で行なうことができ、バランスウェイト材料も変更がないためにコストアップも殆どない。
請求項２の発明によれば、前段溶接後１サイクル以上のクール時間をおいて後段溶接を行なうことで、前段溶接によるバランスウェイトのプロジェクション部の溶接と後段溶接によるナゲットの後熱効果とを分けることができ、前段溶接による後熱効果への影響をなくすことができ、良好な後熱効果部を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明者は、上記の問題を解決するために通常鋼管の両端に継手部材を溶接し、この通常鋼管に電気抵抗溶接（プロジェクション溶接）によりバランスウェイトを溶接した推進軸における前記バランスウェイトの溶接部の溶接割れ及び捻り疲労強度に及ぼす影響に関して種々研究し、以下の知見を得た。
バランスウェイトのプロジェクション溶接は、従来から１回通電にて実施されているが、前段溶接（通電Ｉ）と後段溶接（通電II）とから成る一対の溶接処理を同一の溶接装置にて実施し、前段溶接によりバランスウェイトのプロジェクション部（突起部）を通常鋼管に溶着し、後段溶接により溶接部（ナゲット）と通常鋼管（母材）との間に後熱効果部を形成する。そして、前段溶接及び後段溶接の各溶接条件を最適化することで、溶接部は、後熱効果により残留応力及び熱影響部硬さが低減し、溶接割れ及び捻り疲労強度が改善される。
【００１６】
前段溶接の条件は、電流値を大きく、通電時間を短くし、具体的には、電流値を５ｋＡ〜２０ｋＡ、通電時間を１５サイクル〜４０サイクルとして、バランスウェイトのプロジェクション部の溶接面積を小さくして、通常鋼管への影響を少なくする。また、後段溶接の条件は、前段溶接よりも電流値を小さく、通電時間を長くし、具体的には、電流値を１０ｋＡ〜２４ｋＡ、通電時間を１００サイクル〜３００サイクルとして、溶接部の後熱効果部の均一な移熱効果を得る。後段溶接の通電時間は、より好ましくは１２０サイクル〜３００サイクル、更に好ましくは、１５０サイクル〜３００サイクルとする。
【００１７】
更に、前段溶接後１サイクル以上のクール時間をおいて後段溶接を行ない、前段溶接によるバランスウェイトのプロジェクション部の溶接処理と後段溶接による溶接部の後熱効果処理とを分けて前段溶接による後熱効果への影響をなくす。
なお、前段溶接は、バランスウェイトのプロジェクション部の溶接であり、後段溶接は、溶接部の後熱効果部を得るためのもので厳密には溶接とは異なるものであるが後段溶接と称する。
【実施例】
【００１８】
（１）使用した部材
推進軸の中空鋼管として、
材質：引張強さ７３５ＭＰａ級未満の通常鋼管
サイズ：φ１１４．３ｍｍ×４ｍｍ（肉厚）
を用い、
バランスウェイトとして、
材質：引張強さ２７０ＭＰａ級鋼板（軟鋼材）
サイズ：板厚２．３ｍｍ、長さ１４〜８３．５ｍｍ×幅４０ｍｍ
プロジェクション部：φ５．５ｍｍ×高さ１．１ｍｍ×２個
を用いた。
（２）捻り疲労試験
図１に示すように（１）の通常鋼管２１の両端に継手部材としてのジョイント１２、滑り継手１３を溶接して推進軸１４を構成し、通常鋼管２１のジョイント１２側端部近傍及び滑り継手１３側端部近傍の表面に夫々（１）のバランスウェイト１５、１６を、プロジェクション部（突起部）１５ａ，１６ａに１０ｋｇｆ〜１０００ｋｇｆの加圧力を加えてプロジェクション溶接により溶接した推進軸モデル２０を１１体（試験体Ａ〜Ｋ）を製作した。図２は、図１の溶接部の拡大断面図である。
【００１９】
バランスウェイト１５，１６の溶接は、前段溶接（通電Ｉ）と後段溶接（通電II）各１回の２回通電とし、前段溶接の条件は、電流値を５ｋＡ〜２０ｋＡの範囲、通電時間を１５サイクル〜４０サイクルの範囲、後段溶接の条件は、電流値を一部の比較例を除いて、１０ｋＡ〜２４ｋＡの範囲、通電時間を一部の比較例を除いて、１００サイクル〜３００サイクルの範囲とした。
【００２０】
捻り疲労試験機は、電気油圧式捻り疲労試験機を用い、負荷トルク一定にて試験体Ａ〜Ｋの捻り疲労試験を行った。また、図２に砂地で示す溶接部（ナゲット）１７と通常鋼管２１との間に形成される後熱効果部１８の×印で示す部位における熱影響部硬さ（ＨＶ）を測定した。その結果を表１に示す。
（３）試験結果
実施例Ａ，Ｂ及び比較例Ｄ，Ｅ，Ｈ〜Ｊは、前段溶接及び後段溶接の条件が本発明で規定した範囲内であり、実施例Ａ，Ｂについては疲労寿命の繰り返し数が１００万回以上であり、破損が発生した場合（実施例Ｂ）の破損部位はジョイント部であった。これは、溶接部１７の強度が十分にあり、且つ後熱効果部１８に均一な移熱効果が得られた結果、溶接部１７の捻り疲労強度が増し、ジョイント１２が破損したものである。熱影響部硬さを見ると、実施例Ａは３１９〜３７４ＨＶ、実施例Ｂは３０４〜３３１ＨＶと、破損を招き難い値として想定される想定上限値４００ＨＶよりも、十分に低くなっている。
【００２１】
比較例Ｄ，Ｅ，Ｈ〜Ｊについては、疲労寿命の試験を行なっていないが、一部の例に、部分的に想定上限値４００ＨＶよりも高い箇所が出現するものの概ね想定上限値４００ＨＶよりも低くなっている。
このように本発明による溶接方法を用いれば、バランスウェイト１５，１６と通常鋼管２１との溶接部の接合強度を向上させることができ、バランスウェイト接合部の捻り疲労強度を大きく改善することができる。以下、各例について説明する。
【００２２】
実施例Ａ，Ｂは、いずれも、前段溶接の電流値を大きく、通電時間を短くしたことでバランスウェイトのプロジェクション部の溶接面積が小さくなって通常鋼管（母材）２１への影響が少なく、後段溶接の電流値を前段溶接よりも小さくし（約７５％）、通電時間を前段溶接よりも大幅に長く（約１５倍）としたことで後熱効果部の均一な移熱効果が得られ、溶接部の捻り疲労強度が高くなって、実施例Ａの場合は、１０００万回の疲労寿命の繰り返し試験でも破損が生じなかった。また、実施例Ｂの場合は、溶接部の捻り疲労強度が高くなってジョイント部で破損したが、疲労寿命の繰り返し数は１９１万回と十分に長寿命であった。従って、実施例Ａ，Ｂは、前段溶接及び後段溶接の条件が最適条件に近いものと推定される。熱影響部硬さは想定上限値４００ＨＶよりも十分に低くなっている。
【００２３】
一方、比較例Ｃは、他の例とは大きく異なる条件であって、前段溶接及び後段溶接の時間サイクル条件が近似しており、また、前段溶接の電流値が低く設定され、さらに、後段溶接の電流値は２．５ｋＡと前段溶接の電流値１０ｋＡの四分の一とさらに低く設定される。この場合、熱影響硬さ（ＨＶ）が高くなり、溶接部の脆性が進むことから、疲労寿命の繰り返し数が３３９万回と高いもののバランスウェイトにおいて破損したものと考えられる。なお、熱影響部硬さは４６４〜４７５ＨＶと、想定上限値４００ＨＶを大きく越えている。
【００２４】
比較例Ｄ，Ｅは、実施例Ａ，Ｂに対して、後段溶接の通電時間のみを変更したもので、比較例Ｄは後段溶接の通電時間が１００サイクル、比較例Ｅは後段溶接の通電時間が１５０サイクルと短く設定されている。比較例Ｄ，Ｅとも、疲労試験は実施していないが、熱影響部硬さを見ると、比較例Ｄは３１０〜４１２ＨＶと一部の検査箇所で想定上限値４００ＨＶを超えているものの概ね想定上限値４００ＨＶよりも低くなっている。比較例Ｅは３０８〜３８１ＨＶと全ての検査箇所で想定上限値４００ＨＶよりも低くなっている。したがって、通電時間として１００サイクルが下限と考えられ、通電時間として１５０サイクルあれば十分であるとも判定することができる。
【００２５】
比較例Ｆ，Ｇは、前段溶接の電流値を実施例Ａ，Ｂや比較例Ｄ，Ｅよりも低く、前段溶接の通電時間を実施例Ａ，Ｂや比較例Ｄ，Ｅよりも長く設定し、後段溶接の電流値を実施例Ａ，Ｂや比較例Ｄ，Ｅよりも低く、後段溶接の通電時間を比較例Ｅレベルに設定したものである。熱影響部硬さを見ると、比較例Ｆ，Ｇは想定上限値４００ＨＶを大きく超えた検査箇所がある。
【００２６】
比較例Ｈ，Ｉは、前段溶接の電流値を比較例Ｆ，Ｇと同レベルとし、前段溶接の通電時間を比較例Ｆ，Ｇよりも短く設定し、後段溶接の電流値及び通電時間を比較例Ｆ，Ｇレベルに設定したものである。熱影響部硬さを見ると、比較例Ｈ，Ｉも想定上限値４００ＨＶを大きく超えた検査箇所がある。
これらの比較例Ｆ〜Ｉから、後段溶接の電流値が低すぎると、溶接部の接合強度を十分に向上させることができないものと考えられる。
【００２７】
比較例Ｊは、後段溶接の通電時間のみを実施例Ａ，Ｂよりも短くし、他は実施例Ａ，Ｂと同様に設定したものであり、比較例Ｋは、前段溶接の電流値を実施例Ａ，Ｂよりも低く、前段溶接の通電時間を実施例Ａ，Ｂよりも短く設定し、後段溶接の電流値を比較例Ｊよりもやや高く通電時間は比較例Ｊと同様に設定したものである。
比較例Ｊ，Ｋともに、熱影響部硬さは、全ての検査箇所で想定上限値４００ＨＶよりも低くなっている。
【００２８】
したがって、比較例Ｋから、前段溶接の電流値や通電時間にも幅をもたせることができることが裏付けられる。
【００２９】
【表１】
【００３０】
表１から明らかなように、バランスウェイトのプロジェクション溶接において前段溶接と後段溶接の溶接処理を行ない、前段溶接（通電Ｉ）は、電流値を５ｋＡ〜２０ｋＡ、且つ通電時間を１５サイクル〜４０サイクルの条件とし、後段溶接（通電II）は、電流値を１０ｋＡ〜２４ｋＡ、且つ通電時間を１００サイクル〜３００サイクル、より好ましくは１２０サイクル〜３００サイクル、更に好ましくは、１５０サイクル〜３００サイクル、の条件下で、前段溶接後１サイクル以上のクール時間をおいて後段溶接を行なうことで、溶接部の残留応力の除去、熱影響部硬さの低減をバラツキなく安定して実施することができ、捻り疲労強度の向上を図ることができた。
【００３１】
また、同一の溶接設備にて短時間の後段溶接工程のみを実施するだけでよく、設備の増設の必要がなく、現状のライン設備、冶具を使用してインライン化で行なうことができ、バランスウェイト材料（軟鋼材）も変更がないためにコストアップも殆どなく、加工時間も１〜２秒溶接時間が延長されるだけ、バラつきのない高品質の溶接部を得ることができる。
【００３２】
なお、上記実施例においては、溶接処理を前段溶接と後段溶接とから成る一対の溶接処理とし、後段溶接を１回としたが、１回目の後段溶接の後に、更に、同様又は異なる条件（ただし、１回目の後段溶接に対して電流値を１０ｋＡ〜２４ｋＡ、通電時間を１００サイクル〜３００サイクル）で２回目の後段溶接を行ない、後熱処理を実施してもよい。このように後段溶接を２回実施することで溶接部（ナゲット）の後熱効果を更に有効にすることが可能である。また、上記実施例ではプロジェクション溶接について説明したが、スポット溶接にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る推進軸のバランスウェイト溶接方法を適用した推進軸の斜視図である。
【図２】図１のバランスウェイトの溶接部の拡大断面図である。
【図３】従来の溶接方法によりバランスウェイトを溶接した推進軸の捻り疲労により亀裂が発生する場合の説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
１２ ジョイント（継手部材）
１３ 滑り継手（継手部材）
１４ 推進軸
１５，１６ バランスウェイト
１５ａ，１６ａ プロジェクション部
１７ 溶接部
１８ 後熱効果部
２０ 推進軸モデル（試験体）
２１ 通常鋼管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通常鋼管の両端に継手部材を溶接した推進軸の前記通常鋼管の表面にバランスウェイトを抵抗溶接により溶接する、推進軸のバランスウェイト溶接方法であって、
電流値を５ｋＡ〜２０ｋＡとすると共に通電時間を１５サイクル〜４０サイクルとした前段溶接と、電流値を１０ｋＡ〜２４ｋＡとすると共に通電時間を１００サイクル〜３００サイクルとした後段溶接と、から成る一対の溶接処理を同一の溶接装置により行なう
ことを特徴とする、推進軸のバランスウェイト溶接方法。
【請求項２】
前記後段溶接は、前段溶接後１サイクル以上のクール時間後に行なう
ことを特徴とする、請求項１記載の推進軸のバランスウェイト溶接方法。
【請求項１】
通常鋼管の両端に継手部材を溶接した推進軸の前記通常鋼管の表面にバランスウェイトを抵抗溶接により溶接する、推進軸のバランスウェイト溶接方法であって、
電流値を５ｋＡ〜２０ｋＡとすると共に通電時間を１５サイクル〜４０サイクルとした前段溶接と、電流値を１０ｋＡ〜２４ｋＡとすると共に通電時間を１００サイクル〜３００サイクルとした後段溶接と、から成る一対の溶接処理を同一の溶接装置により行なう
ことを特徴とする、推進軸のバランスウェイト溶接方法。
【請求項２】
前記後段溶接は、前段溶接後１サイクル以上のクール時間後に行なう
ことを特徴とする、請求項１記載の推進軸のバランスウェイト溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−１４８７８６（Ｐ２００９−１４８７８６Ａ）
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２７７５３（Ｐ２００７−３２７７５３）
【出願日】平成１９年１２月１９日（２００７．１２．１９）
【出願人】（３０３００２１５８）三菱ふそうトラック・バス株式会社 (1,037)
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１９日（２００７．１２．１９）
【出願人】（３０３００２１５８）三菱ふそうトラック・バス株式会社 (1,037)
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