JP7587341B2 - 溶接構造及び溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接構造及び溶接方法に関する。

従来、製造コストを低減することができる溶接方法が提案されている（特許文献１参照。）。この溶接方法は、第１部材と第２部材との突き合わせ部にレーザ光を集光して照射して溶接用金属材料を溶かしながら第１部材と第２部材とのレーザ溶接を行う。そして、この溶接方法は、第１部材と第２部材との突き合わせ部に開先加工を施さないで、かつ、レーザ光の集光径をφ０．２ｍｍ以下とすることを特徴とする。

特開２０１１－１６１５０６号公報

特許文献１に記載された溶接方法においては、レーザ光の集光径を小さくすることによって、溶接品の溶接に起因する歪みの発生を抑制することが可能である。しかしながら、この溶接方法においては、溶接部の深さ方向において溶接用金属材料の溶融成分の撹拌が不十分である。そのため、溶接部での割れや、溶接部の低強度化が起こりやすいという問題点があった。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明は、溶接構造の溶接に起因する歪みの発生を抑制ないし防止するとともに、溶接部での割れの発生及び溶接部の低強度化を抑制ないし防止し得る溶接構造及び溶接方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。その結果、溶接部の幅方向の大きさや溶接部の成分等を規定することなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明によれば、溶接構造の溶接に起因する歪みの発生を抑制ないし防止するとともに、溶接部での割れの発生及び溶接部の低強度化を抑制ないし防止し得る溶接構造及び溶接方法を提供することができる。

図１は、溶接構造及び溶接方法を説明するための溶接構造の概略構成図である。 図２は、溶接前の図１に示すａ－ａ線に沿った断面図である。 図３は、図１に示す矢印ｂ方向からの矢視図である。 図４は、図３に示すｄ－ｄ線に沿った断面図である。 図５は、溶接後の図１に示すａ－ａ線に沿った断面図である。 図６は、実施例の溶接構造の図２及び図５に対応した要部を拡大して示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る溶接構造及び溶接方法について詳細に説明する。まず、本発明の一実施形態に係る溶接構造について詳細に説明する。次に、本発明の一実施形態に係る溶接方法について詳細に説明する。しかる後、溶接構造及び溶接方法の一例について図面を参照しながら詳細に説明する。

＜１＞溶接構造
本実施形態の溶接構造は、鋳鉄からなる鋳鉄部材と、炭素鋼又は合金鋼からなる鋼部材と、鋳鉄部材及び鋼部材を接合する溶接部とを有する。そして、溶接部は、溶接部の幅方向の大きさが３．０ｍｍ以下である。また、溶接部は、ニッケル及びケイ素を含む。さらに、溶接部は、溶接部の中央線上の任意部位におけるケイ素濃度が０．９質量％以上である。

ここで、鋳鉄部材における鋳鉄としては、特に限定されるものではないが、例えば、日本工業規格に規定されたＦＣＤ４５０、ＦＣＤ６００、ＦＣＤ７００、ＦＣＤ８００などを挙げることができる。なお、特に限定されるものではないが、ＦＣＤ４５０を適用することが好適である。

また、鋼部材における炭素鋼又は合金鋼としては、鋳鉄よりもケイ素含有量が少なければ特に限定されるものではないが、例えば、日本工業規格に規定されたＳＣｒ４１７Ｈ、ＳＣｒ４２０Ｈ、ＳＣＭ４２０Ｈ、ＳＣＭ４１８Ｈ、ＳＮＣＭ４２０Ｈなどを挙げることができる。なお、特に限定されるものではないが、ＳＣＭ４２０Ｈを適用することが好適である。

そして、「溶接部の幅方向」とは、「溶接部の長さ方向」及び「溶接部の深さ方向」に直交する方向を意味する。

また、「溶接部の幅方向の大きさ」とは、鋳鉄部材のレーザービーム照射側端面と鋼部材のレーザービーム照射側端面とで形成される端面における溶接部の幅方向の長さを意味する。なお、例えば、図５におけるＸは溶接部の幅方向の大きさを示す。ここで、このような面を想定する場合、溶接部表面の微細凹凸は無視してよい。なお、鋳鉄部材のレーザービーム照射側端面と鋼部材のレーザービーム照射側端面とで形成される端面を、「溶接構造の表面」ということがある。

さらに、「溶接部の中央線」とは、溶接構造の表面から溶接部の最深位置までの距離を２等分する溶接部の２等分線を規定した際、この２等分線の長さを２等分するような溶接部の深さ方向に平行な線を意味する。

なお、ケイ素濃度は、例えば、蛍光Ｘ線分析装置や、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）によって測定することができる。また、後述するニッケル濃度や炭素濃度も、上記同様に測定することができる。

特に限定されるものではないが、ケイ素濃度やニッケル濃度は、蛍光Ｘ線分析装置（測定条件は、例えば、電圧：５０ｋＶ、電流：２００μＡ、ライブタイム：１００ｓｅｃである。）によって測定することが好ましい。また、特に限定されるものではないが、炭素濃度は、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）（測定条件は、例えば、電圧：１０ｋＶ、電流：７０ｎＡ、スポット分析領域：φ０．０５～０．５μｍである。）によって測定することが好ましい。

蛍光Ｘ線分析装置としては、例えば、微小領域マイクロＸ線蛍光分析装置（Ｂｒｕｋｅｒ社製、Ｍ４ ＴＲＡＮＤＯ）を利用することができる。また、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）としては、例えば、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）（株式会社島津製作所製、ＥＰＭＡ－１６００）を利用することができる。

上述のように、本実施形態の溶接構造は、鋳鉄からなる鋳鉄部材と、炭素鋼又は合金鋼からなる鋼部材と、鋳鉄部材及び鋼部材を接合する所定の溶接部とを有する。所定の溶接部は、溶接部の幅方向の大きさが３．０ｍｍ以下であり、かつ、ニッケル及びケイ素を含み、溶接部の中央線上の任意部位におけるケイ素濃度が０．９質量％以上である。そのため、溶接構造の溶接に起因する歪みの発生を抑制ないし防止するとともに、溶接部での割れの発生及び溶接部の低強度化を抑制ないし防止することができる。

溶接部の幅方向の大きさが３．０ｍｍ超である場合には、溶接構造の溶接に起因する歪みが生じやすい。溶接構造の溶接に起因する歪みの発生を抑制ないし防止するという観点からは、溶接部の幅方向の大きさは小さければ小さいほど好ましい。特に限定されるものではないが、溶接部の幅方向の大きさは２．０ｍｍ以下であることが好ましく、１．０ｍｍ以下であることがより好ましく、０．５ｍｍ以下であることが更に好ましい。

一方、溶接部での割れの発生や溶接部の低強度化を抑制ないし防止することができれば、特に限定されるものではないが、溶接部の幅方向の大きさは０．１ｍｍ以上であることが好ましく、０．２ｍｍ以上であることがより好ましく、０．３ｍｍ以上であることが更に好ましい。

なお、溶接部の幅方向の大きさの下限値は、例えば、要求性能に応じて設定される溶接部の幅方向の大きさに応じて適宜設定できるが、これに限定されるものではない。溶接部の幅方向の大きさの下限値は、例えば、詳しくは後述する溶接方法において突き合わせ部から鋳鉄部材側にずれた位置にファイバーレーザービームを照射する際に、突き合わせ部からファイバーレーザービームを照射する位置までの距離（溶接点オフセット量）などに応じて適宜設定できる。特に限定されるものではないが、溶接部の幅方向の大きさを０．１ｍｍに設定する場合には、突き合わせ部からファイバーレーザービームを照射する位置までの距離（溶接点オフセット量）は５０μｍ以下とすることが好ましい。

また、ニッケル及びケイ素が含まれない場合には、溶接部での割れの発生や溶接部の低強度化が生じやすい。

さらに、溶接部の中央線上の任意部位におけるケイ素濃度が０．９質量％未満である場合には、溶接部での割れの発生や溶接部の低強度化が生じやすい。溶接部での割れの発生や溶接部の低強度化を抑制ないし防止するという観点からは、溶接部の中央線上の任意部位におけるケイ素濃度は高ければ高いほど好ましい。特に限定されるものではないが、溶接部の中央線上の任意部位におけるケイ素濃度は１．１質量％以上であることが好ましい。

一方、溶接部での割れの発生や溶接部の低強度化を抑制ないし防止することができれば、特に限定されるものではないが、溶接部の中央線上の任意部位におけるケイ素濃度は４．０質量％以下であることが好ましく、３．０質量％以下であることがより好ましく、２．０質量％以下であることが更に好ましい。

なお、溶接部の中央線上の任意部位におけるケイ素濃度の上限値は、例えば、用いる鋳鉄部材に応じて適宜設定できるが、これに限定されるものではない。溶接部の中央線上の任意部位におけるケイ素濃度の上限値は、例えば、詳しくは後述する溶接方法において突き合わせ部から鋳鉄部材側にずれた位置にファイバーレーザービームを照射する際に、突き合わせ部からファイバーレーザービームを照射する位置までの距離（溶接点オフセット量）などに応じて適宜設定できる。

現時点においては、以下のような理由により、上述の効果が得られていると考えている。

鋳鉄からなる鋳鉄部材と、炭素鋼又は合金鋼からなる鋼部材とを溶接する際に、鋳鉄部材と鋼部材とを突き合わせた突き合わせ部に、ニッケル含有溶接用金属材料を供給する。そして、ニッケル含有溶接用金属材料の供給とともに、突き合わせ部から鋳鉄部材側にずれた位置にファイバーレーザービームを照射すると、形成される溶接部の幅方向の大きさを３．０ｍｍ以下にすることができる。その結果、溶接構造の溶接に起因する歪みの発生を抑制ないし防止することができる。

また、鋳鉄からなる鋳鉄部材と、炭素鋼又は合金鋼からなる鋼部材とを溶接する際に、鋳鉄部材と鋼部材とを突き合わせた突き合わせ部に、ニッケル含有溶接用金属材料を供給する。そして、ニッケル含有溶接用金属材料の供給とともに、突き合わせ部から鋳鉄部材側にずれた位置にファイバーレーザービームを照射すると、突き合わせ部に供給されたニッケル含有溶接用金属材料の成分に、鋳鉄部材からケイ素成分が溶け込む。

一般的に、鋳鉄部材のケイ素含有量（質量％）は、鋼部材のケイ素含有量（質量％）よりも多い。そのため、鋼部材側にずれた位置にファイバービームを照射する場合と比較して、鋳鉄部材側にずれた位置にファイバーレーザービームを照射する場合は、ニッケル含有溶接用金属材料の成分に多くのケイ素成分を効果的に溶け込ませることができる。

これにより、ニッケル含有溶接用金属材料の溶融成分の粘性や表面張力が低下し、形成される溶接部の深さ方向においてニッケル含有溶接用金属材料の溶融成分の撹拌が促進されて、ニッケル含有溶接用金属材料の成分が溶接部の深部まで供給される。その結果、溶接部での割れの発生や溶接部の低強度化を抑制ないし防止することができる。

また、ニッケル含有溶接用金属材料の溶融成分の粘性や表面張力が低下し、形成される溶接部の深さ方向においてニッケル含有溶接用金属材料の溶融成分の撹拌が促進される。これによって、溶接部において脆性組織であるマルテンサイトの形成が抑制されるとともに延性組織であるオーステナイトの形成が促進される。その結果、溶接部での割れの発生や溶接部の低強度化が抑制ないし防止されたとも考えることができる。なお、溶接部の炭素量とオーステナイトとの相関関係は、シェフラー状態図から予測される。

ただし、上記の理由以外の理由により上述のような効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

そして、特に限定されるものではないが、溶接部は、溶接部の中央線上の任意部位におけるケイ素濃度が１．１質量％以上であり、かつ、溶接部の中央線上のケイ素濃度の平均値（平均ケイ素濃度）が１．５質量％以上であることが好ましい。

ここで、溶接部の中央線上のケイ素濃度の平均値は、溶接部の中央線の長さを１０以上の均等長さに分割するような分割領域を規定し、各分割領域のケイ素濃度を測定し、測定した各分割領域のケイ素濃度を用いて平均値を算出する。溶接部の中央線を均等長さに分割する際には、妥当な平均値を算出することができれば、特に限定されるものではないが、１０以上に分割することが好ましく、１５以上に分割することがより好ましい。なお、溶接部の中央線を均等長さに分割する際には、妥当な平均値を算出することができれば、分割数の上限については特に限定されるものではなく、例えば、３０以下に分割することが好ましく、２５以下に分割することがより好ましい。特に、２０分割することが好ましい。

上述のように、溶接部の中央線上の任意部位におけるケイ素濃度が１．１質量％以上であり、かつ、溶接部の中央線上のケイ素濃度の平均値（平均ケイ素濃度）が１．５質量％以上である溶接部を有する溶接構造とすることにより、溶接部での割れの発生や溶接部の低強度化をより抑制ないし防止することができる。

また、特に限定されるものではないが、溶接部は、溶接部の中央線上の任意部位におけるニッケル濃度が０．５質量％以上４０質量％以下であることが好ましい。特に限定されるものではないが、低廉化の観点からは、溶接部の中央線上の任意部位におけるニッケル濃度が３０質量％以下であることがより好ましく、２０質量％以下であることが更に好ましく、１０質量％以下であることが特に好ましい。ニッケル含有量が１０質量％程度である低廉なニッケル含有溶接用金属材料を適用した場合、ファイバーレーザービームを照射する位置を制御することによって、最大ニッケル濃度を５質量％以下とすることが可能である。また、そのとき、最小ニッケル濃度を０．５０質量％とすることも可能である。

ニッケル含有溶接用金属材料の成分に鋳鉄部材からケイ素成分を溶け込ませて、ニッケル含有溶接用金属材料の粘性や表面張力が低下する溶接方法においては、ニッケル含有量が１０質量％程度である低廉なニッケル含有溶接用金属材料を適用しても、所望の効果を得ることができるという利点がある。

なお、溶接部におけるニッケルは、通常、ニッケル含有溶接用金属材料に由来するものであるが、これに限定されるものではなく、鋳鉄部材や鋼部材に由来するものであってもよい。また、ニッケル濃度の上限値は、通常はファイバーレーザービームを照射する位置（溶接点）で測定され、ニッケル濃度の下限値は、通常は溶接部の最深位置で測定される。

上述のように、溶接部の中央線上の任意部位におけるニッケル濃度が０．５質量％以上４０質量％以下である溶接部を有する溶接構造とすることにより、溶接構造の溶接に起因する歪みの発生を抑制ないし防止するとともに、溶接部での割れの発生及び溶接部の低強度化を抑制ないし防止することができる。

さらに、特に限定されるものではないが、溶接部は、溶接部の中央線の長さを１０以上の均等長さに分割するような分割領域を規定した際、中央線上のニッケル濃度のうちの最大ニッケル濃度の分割領域に対する最小ニッケル濃度の分割領域のニッケル濃度比が０．１以上であることが好ましい。

上述のように、溶接部の中央線の長さを１０以上の均等長さに分割するような分割領域を規定した際、中央線上のニッケル濃度のうちの最大ニッケル濃度の分割領域に対する最小ニッケル濃度の分割領域のニッケル濃度比が０．１以上である溶接部を有する接合構造とすることにより、溶接部での割れの発生及び溶接部の低強度化をより抑制ないし防止することができる。

また、最大ニッケル濃度の分割領域に対する最小ニッケル濃度の分割領域のニッケル濃度比は、ニッケル含有溶接用金属材料に由来するニッケル成分が溶接部の深部まで供給され、局所集中が抑制されていることを示す指標である。これにより、ニッケル含有溶接用金属材料が有効に活用されていることが分かる。

なお、最大ニッケル濃度の分割領域に対する最小ニッケル濃度の分割領域のニッケル濃度比の上限値は、理論的には最大ニッケル濃度と最小ニッケル濃度とが同じときに１である。また、最大ニッケル濃度は、通常はファイバーレーザービームを照射する位置（溶接点）で測定され、最小ニッケル濃度は、通常は溶接部の最深位置で測定される。

そして、特に限定されるものではないが、溶接部は、溶接部の中央線の長さを１０以上の均等長さに分割するような分割領域を規定した際、各分割領域の炭素濃度を測定し、測定した各分割領域の炭素濃度を用いて算出した平均値（平均炭素濃度）が１．０質量％以上であることが好ましく、１．５質量％以上であることがより好ましく、２．０質量％以上であることが更に好ましく、２．４質量％以上であることが特に好ましい。

一方、溶接部での割れの発生及び溶接部の低強度化を抑制ないし防止することができれば、特に限定されるものではないが、炭素濃度の平均値（平均炭素濃度）は４．０質量％以下であることが好ましく、３．６質量％以下であることがより好ましく、３．２質量％以下であることが更に好ましい。

上述のように、溶接部の中央線の長さを１０以上の均等長さに分割するような分割領域を規定した際、各分割領域の炭素濃度を測定し、測定した各分割領域の炭素濃度を用いて算出した平均値（平均炭素濃度）が１．０質量％以上である溶接部を有する溶接構造とすることにより、溶接部での割れの発生及び溶接部の低強度化を抑制ないし防止することができる。

また、特に限定されるものではないが、溶接部は、溶接部の幅方向の大きさに対する溶接部の深さ方向の大きさの比（アスペクト比（Ｙ／Ｘ））が４以上であることが好ましい。なお、図５におけるＸは溶接部の幅方向の大きさを示し、図５におけるＹは溶接部の深さ方向の大きさを示す。溶接構造の溶接に起因する歪みの発生を抑制ないし防止するとともに、溶接部での割れの発生及び溶接部の低強度化を抑制ないし防止するという観点からは、溶接部の幅方向の大きさに対する溶接部の深さ方向の大きさの比（アスペクト比（Ｙ／Ｘ））は大きければ大きいほど好ましい。特に限定されるものではないが、溶接部の幅方向の大きさに対する溶接部の深さ方向の大きさの比（アスペクト比（Ｙ／Ｘ））は８以上であることがより好ましく、１２以上であることが更に好ましい。なお、現時点における溶接部の幅方向の大きさに対する溶接部の深さ方向の大きさの比（アスペクト比（Ｙ／Ｘ））の上限値は１６程度である。

上述のように、溶接部の幅方向の大きさに対する溶接部の深さ方向の大きさの比が４以上である溶接部を有する溶接構造とすることにより、溶接に起因する歪みをより抑制ないし防止するとともに、溶接部での割れの発生をより抑制ないし防止し、かつ、溶接部の低強度化をより抑制ないし防止することができる。

さらに、特に限定されるものではないが、溶接部は、鋳鉄部材に由来する成分及び鋼部材に由来する成分の合計に対する鋳鉄部材に由来する成分の比が０．５０超であることが好ましく、０．６０以上であることがより好ましく、０．７５以上であることが更に好ましい。なお、溶接部の確実な形成という観点からは、鋳鉄部材に由来する成分及び鋼部材に由来する成分の合計に対する鋳鉄部材に由来する成分の比の上限値は０．９９以下であることが好ましい。

ここで、「鋳鉄部材に由来する成分及び鋼部材に由来する成分の合計に対する鋳鉄部材に由来する成分の比」は、溶接後においても鋳鉄部材と鋼部材との突き合わせ部が観察できる場合には、突き合わせ部と溶接部の中央線とのずれに基づいて算出することができる。また、溶接後において鋳鉄部材と鋼部材との突き合わせ部が観察できない場合には、上記比は、鋳鉄部材、鋼部材及び溶接部の成分を分析し、それらの配合割合から算出することができる。

上述のように、鋳鉄部材に由来する成分及び鋼部材に由来する成分の合計に対する鋳鉄部剤に由来する成分の比が好ましくは０．５超であり、より好ましくは０．６以上であり、更に好ましくは０．７５以上である溶接部を有する溶接構造とすることにより、溶接部におけるケイ素濃度及び炭素濃度を増加させることができる。これにより、ニッケル含有溶接用金属材料の溶融成分の粘性や表面張力が低下し、形成される溶接部の深さ方向においてニッケル含有溶接用金属材料の溶融成分の撹拌が促進されて、ニッケル含有溶接用金属材料の成分が溶接部の深部まで供給される。また、溶接部において脆性組織であるマルテンサイトの形成が抑制されるとともに、延性組織であるオーステナイトの形成が促進される。その結果、溶接部での割れの発生や溶接部の低強度化を抑制ないし防止することができる。

そして、特に限定されるものではないが、鋳鉄部材がデフケースであり、鋼部材がリングギヤであることが好ましい。

鋳鉄部材で形成されたデフケースと鋼部材で形成されたリングギヤと上述した溶接部とを有する溶接構造とすることにより、溶接構造の溶接に起因する歪みの発生を抑制ないし防止するとともに、溶接部での割れの発生及び溶接部の低強度化を抑制ないし防止することができる。また、デフケースとリングギヤとを溶接によって接合するため、ボルトを用いて接合する必要がなく、デフケースにフランジを形成する必要がなく、リングギヤを薄肉化することが可能であるため、デフケースとリングギヤとが溶接された溶接構造の軽量化を実現することができる。

＜２＞溶接方法
本実施形態の溶接方法は、本発明の溶接構造を形成する溶接方法の一形態である。この溶接方法は、鋳鉄からなる鋳鉄部材と、炭素鋼又は合金鋼からなる鋼部材とを突き合わせた突き合わせ部に、ニッケル含有溶接用金属材料を供給するとともに、突き合わせ部から鋳鉄部材側にずれた位置にファイバーレーザービームを照射する工程を有する。

ここで、鋳鉄からなる鋳鉄部材と、炭素鋼又は合金鋼からなる鋼部材とは、上記の実施形態において説明したものと同等のものである。

また、ニッケル含有溶接用金属材料としては、特に限定されるものではないが、例えば、ニッケル含有溶接ワイヤを挙げることができる。ニッケル含有溶接ワイヤは、低廉化の観点からは、ニッケル含有量が少なければ少ないほど好ましい。例えば、ニッケル含有量が１０質量％以下であるニッケル含有溶接ワイヤは、材料費が抑えられ、製造コストを抑制できるという観点からは好適である。しかしながら、これに限定されるものではなく、例えば、ニッケル含有量が１０質量％超９７質量％以下であるものを適用することもできる。ニッケル含有溶接ワイヤとしては、特に限定されるものではないが、例えば、日本工業規格に規定されたＹ３０８、Ｙ３１０などを挙げることができる。なお、特に限定されるものではないが、Ｙ３０８を適用することが好適である。

さらに、ファイバーレーザービームを照射するファイバーレーザー溶接機としては、上述した溶接部を形成することができれば特に限定されるものではなく、従来公知のファイバーレーザー溶接機を利用することができる。

上述のように、本実施形態の溶接方法は、鋳鉄からなる鋳鉄部材と、炭素鋼又は合金鋼からなる鋼部材とを突き合わせた突き合わせ部に、ニッケル含有溶接用金属材料を供給するとともに、突き合わせ部から鋳鉄部材側にずれた位置にファイバーレーザービームを照射する工程を有するので、溶接構造の溶接に起因する歪みの発生が抑制ないし防止され、溶接部での割れの発生及び溶接部の低強度化が抑制ないし防止された溶接構造を形成することができる。

なお、特に限定されるものではないが、本実施形態の溶接方法では、ファイバーレーザービームの照射位置をケイ素含有量（質量％）が多い鋳鉄部材側にずらして、ケイ素成分をニッケル含有溶接用金属材料の成分に積極的に溶け込ませている。これにより、ニッケル含有溶接用金属材料の粘性や表面張力を低下させるため、ニッケル含有溶接用金属材料におけるニッケル含有量が少なくても溶接部においてオーステナイトの形成が促進される。その結果、製造コストを抑制しつつ、溶接部の割れを効果的に抑制ないし防止できる。

そして、特に限定されるものではないが、ファイバーレーザービームを照射する位置を、突き合わせ部から鋳鉄部材側に５０μｍ以上ずれた位置にすることが好ましい。

上述のように、ファイバーレーザービームを照射する際に、ファイバーレーザービームを照射する位置を、突き合わせ部から鋳鉄部材側に５０μｍ以上ずれた位置にすることにより、溶接構造の溶接に起因する歪みの発生が抑制ないし防止され、溶接部での割れの発生及び溶接部の低強度化が抑制ないし防止された溶接構造を形成することができる。

また、溶接部での割れの発生及び溶接部の低強度化が抑制ないし防止された溶接構造を形成するという観点からは、突き合わせ部からファイバーレーザービームを照射する位置までの距離（溶接点オフセット量）は大きければ大きいほど好ましい。例えば、突き合わせ部からファイバーレーザービームを照射する位置までの距離（溶接点オフセット量）は１００μｍ以上であることがより好ましく、１５０μｍ以上であることが更に好ましい。一方、溶接構造の溶接に起因する歪みの発生が抑制ないし防止されれば特に限定されるものではないが、突き合わせ部からファイバーレーザービームを照射する位置までの距離（溶接点オフセット量）は、１．５ｍｍ以下であることが好ましく、１．０ｍｍ以下であることがより好ましく、５００μｍ以下であることが更に好ましく、２００μｍ以下であることが特に好ましい。

＜３＞以下、溶接構造及び溶接方法について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、デフケースとリングギヤとを溶接する場合を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。また、以下で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図１は、溶接構造及び溶接方法を説明するための溶接構造の概略構成図である。図１に示すように、溶接構造１０は、デフケース１２と、リングギヤ１４とを有する。なお、詳しくは後述する溶接後において、デフケース１２とリングギヤ１４とを突き合わせた突き合わせ部Ａに、デフケース１２、リングギヤ１４及びニッケル含有溶接ワイヤＷに由来する溶接部が形成される。つまり、溶接後において、溶接構造１０は、デフケース１２と、リングギヤ１４と、デフケース１２及びリングギヤ１４を接合する溶接部とを有する。

ここで、デフケース１２は、上述したように鋳鉄からなる鋳鉄部材で形成されており、リングギヤ１４は、上述したように炭素鋼又は合金鋼からなる鋼部材で形成されている。

デフケース１２とリングギヤ１４との突き合わせ部Ａに、ニッケル含有溶接ワイヤＷが供給されるとともに、ファイバーレーザービームＢが照射されることによって、デフケース１２とリングギヤ１４との接合する溶接部が形成され、デフケース１２とリングギヤ１４とが溶接される。突き合わせ部Ａは、デフケース１２及びリングギヤ１４に備えられた同軸的に配置される円周部１２１，１４１を突き合わせて形成される。

ファイバーレーザービームＢは、突き合わせ部Ａに近接して配置されたノズルＮから出射される。ノズルＮは、図示しないガスの流路を備え、アルゴン（Ａｒ）や窒素（Ｎ_２）等のシールドガスを吹き出してもよい。

ここで、図２は、溶接前の図１に示すａ－ａ線に沿った断面図である。そして、図３は、図１に示す矢印ｂ方向からの矢視図である。また、図４は、図３に示すｄ－ｄ線に沿った断面図である。さらに、図５は、溶接後の図１に示すａ－ａ線に沿った断面図である。なお、図５におけるＸは溶接部の幅方向の大きさを示し、図５におけるＹは溶接部の深さ方向の大きさを示す。また、同一の構成については、同一の符号を付すことにより重複する説明を省略する。

図２に示すように、デフケース１２は、回転軸に沿う方向に突出した突部１２３を有する。リングギヤ１４は、突部１２３が嵌合する孔１４３を有する。デフケース１２及びリングギヤ１４は、突部１２３及び孔１４３を嵌合させて接続する。デフケース１２は、モータ等を備える回転駆動装置に接続される。リングギヤ１４は、デフケース１２とともに一体的に回転する。ノズルＮは固定されている。

溶接の際、ファイバーレーザービームＢの出射位置及び出射方向は固定されたまま、図３（及び図１）に示すように、デフケース１２及びリングギヤ１４が矢印ｃで示す周方向に回転する。ファイバーレーザービームＢの照射位置が、円周部１２１，１４１の周方向に相対的に移動しつつ、デフケース１２及びリングギヤ１４は溶接される。デフケース１２及びリングギヤ１４は円周部１２１，１４１の全周で溶接される。

ニッケル含有溶接ワイヤＷは、ニッケル含有溶接ワイヤＷが巻回されたワイヤリールからニッケル含有溶接ワイヤＷを送り出すワイヤ送給機構によって供給される。ニッケル含有溶接ワイヤＷは、デフケース１２及びリングギヤ１４の回転に合わせて順次供給される。

ファイバーレーザービームＢの照射位置及びその近傍は、ＣＣＤカメラ等の撮影装置Ｃによって撮影される。溶接の際、作業者は、撮影装置Ｃによって撮影された画像を液晶ディスプレイ等の表示装置で確認する。デフケース１２及びリングギヤ１４は、ファイバーレーザービームＢの照射位置が監視されつつ溶接される。

図４に示すように、ファイバーレーザービームＢの照射位置は、突き合わせ部Ａから鋳鉄部材であるデフケース１２及び鋼部材であるリングギヤ１４のうちの相対的にケイ素含有量（質量％）が多い鋳鉄部材であるデフケース１２側にずれている。このため、図５に示すように、ファイバーレーザービームＢの照射によって、デフケース１２、リングギヤ１４及びニッケル含有溶接ワイヤＷが溶融して形成される溶接部１６は、突き合わせ部Ａからデフケース１２側にずれて位置する。

ファイバーレーザービームＢの照射位置を監視しつつ溶接することによって、照射位置がリングギヤ側に逸れることなく、ファイバーレーザービームＢはデフケース１２側にずれた位置に確実に照射される。このため、回転軸まわりに形成される環状の溶接部１６の全体で溶接部１６はケイ素含有量（質量％）が多い鋳鉄部材であるデフケース１２側にずれて形成される。これにより、溶接部１６の全体で割れが効果的に抑制されて部材同士が確実に接合される。

上述した溶接方法と異なり、デフケース１２及びリングギヤ１４を回転することなく固定し、ファイバーレーザービームＢの出射位置及び出射方向、並びにニッケル含有溶接ワイヤＷの供給位置を変化させつつ周方向に溶接する場合、ノズルＮ及びニッケル含有溶接ワイヤＷ等を移動させる駆動装置並びにこれらを制御する制御装置が必要である。そのため、溶接装置が複雑になるおそれがある。一方、上述した溶接方法では、ファイバーレーザービームＢの出射位置及び出射方法を固定したままデフケース１２及びリングギヤ１４を周方向に回転させることによって溶接するため、ファイバーレーザービームＢを移動させて溶接する場合のような大掛かりな装置が必要なく、簡便な溶接装置を利用することができる。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。しかしながら、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１～実施例４、比較例１～比較例５）
図６は、実施例の溶接構造の図２及び図５に対応した要部を拡大して示す断面図である。図６に示すように、互いに突き合わされたとき回転軸まわりに環状の隙間２２１，２４１が部材間で形成されるデフケース２２とリングギヤ２４とを実際に溶接して溶接構造２０を形成した。実施例において、隙間２２１，２４１以外の構成要素は、上述した実施形態と略同様である。

ここで、デフケース２２は、球状黒鉛鋳鉄として日本工業規格に規定されたＦＣＤ４５０で形成した。なお、デフケース２２において、突き合わせ部Ａを形成する溶接面における浸炭層を除去して、図４に示すような溝を形成した。

また、リングギヤ２４は、肌焼き鋼として日本工業規格に規定されたＳＣＭ４２０Ｈで形成した。なお、リングギヤは浸炭してある。

さらに、ニッケル含有溶接ワイヤＷとしては、日本工業規格に規定されたＹ３０８によって形成されたニッケル含有溶接ワイヤを用いた。なお、ニッケル含有溶接ワイヤは、ニッケル含有量が１０質量％であり、径がφ０．６ｍｍである。また、溶接の際、ニッケル含有溶接ワイヤを供給速度７ｍ／ｍｉｎ供給した。

デフケース２２及びリングギヤ２４の回転軸に沿って位置をずらして設定した複数の照射位置（突き合わせ部Ａを０、鋳鉄部材側を（＋）、鋼部材側を（－）とし、－２００μｍ～＋２００μｍで設定した。）のそれぞれで、シールドガスとしての窒素（Ｎ_２）を吹き出しながら、溶接速度５ｍ／ｍｉｎでファイバーレーザービームＢ（出力：３８００～４２００Ｗ、スポット径：φ０．２ｍｍ、デフォーカス：－２ｍｍ（但し、材料の内部方向が（－）である。））を照射し、溶接部２６を形成して、デフケース２２及びリングギヤ２４を接合した。つまり、ファイバーレーザービームＢの所定の照射によってデフケース２２と、リングギヤ２４と、デフケース２２、リングギヤ２４及びニッケル含有溶接ワイヤＷが溶融して形成される所定の溶接部２６とを有する溶接構造を形成した。

各例の仕様の一部を表１に示す。

なお、表１中の「ビーム照射位置」は、デフケース２２とリングギヤ２４との突き合わせ部Ａからの回転軸に沿った方向の離隔距離である。ビーム照射位置が正（＋）の場合、ビームの照射位置は突き合わせ部Ａよりもデフケース２２側に位置する。例えば、ビーム照射位置が＋２００μｍの場合、突き合わせ部Ａから回転軸に沿った方向に２００μｍデフケース２２側にずれた位置にファイバーレーザービームＢを照射したことを意味する。一方、ビーム照射位置が負（－）の場合、ビームの照射位置は突き合わせ部Ａよりもリングギヤ２４側に位置する。例えば、ビーム照射位置が－２００μｍの場合、突き合わせ部Ａから回転軸に沿った方向に２００μｍリングギヤ２４側にずれた位置にファイバーレーザービームＢを照射したことを意味する。

また、表１中の「溶接部の幅方向の大きさ（Ｘ）」は、溶接部の長さ方向に直交し、溶接部の深さ方向に平行な溶接部の断面において、溶接構造の表面での溶接部の幅方向に沿った溶接部の長さである。なお、図５におけるＸは溶接部の幅方向の大きさを示す。

さらに、表１中の「溶接部の深さ方向の大きさ（Ｙ）」は、溶接部の長さ方向に直交し、溶接部の深さ方向に平行な溶接部の断面において、溶接構造の表面から溶接部の最深位置までの溶接部の深さ方向の長さである。なお、図５におけるＹは溶接部の深さ方向の大きさを示す。

また、表１中の「アスペクト比（Ｙ／Ｘ）」は、溶接部の幅方向の大きさに対する溶接部の深さ方向の大きさの比である。

さらに、表１中の「平均炭素濃度」は、溶接部の中央線の長さを２０の均等長さに分割するような分割領域を規定し、その分割領域ごとの中央線上の炭素濃度を電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）（株式会社島津製作所製、ＥＰＭＡ－１６００）（測定条件は、電圧：１０ｋＶ、電流：７０ｎＡ、スポット分析領域：φ０．０５～０．５μｍである。）によって測定し、各炭素濃度から得られた算術平均値である。

また、表１中の「最小ケイ素濃度」は、溶接部の中央線の長さを２０の均等長さに分割するような分割領域を規定し、その分割領域ごとの中央線上のケイ素濃度を微小領域マイクロＸ線蛍光分析装置（Ｂｒｕｋｅｒ社製、Ｍ４ ＴＲＡＮＤＯ）（測定条件は、電圧：５０ｋＶ、電流：２００μＡ、ライブタイム：１００ｓｅｃである。）によって測定して得られた各ケイ素濃度のうちの最小値である。

さらに、表１中の「平均ケイ素濃度」は、溶接部の中央線の長さを２０の均等長さに分割するような分割領域を規定し、その分割領域ごとの中央線上のケイ素濃度を微小領域マイクロＸ線蛍光分析装置（Ｂｒｕｋｅｒ社製、Ｍ４ ＴＲＡＮＤＯ）（測定条件は、電圧：５０ｋＶ、電流：２００μＡ、ライブタイム：１００ｓｅｃである。）によって測定し、各ケイ素濃度から得られた算術平均値である。

また、表１中の「最大ニッケル濃度」及び「最小ニッケル濃度」は、溶接部の中央線の長さを２０の均等長さに分割するような分割領域を規定し、その分割領域ごとの中央線上のニッケル濃度を微小領域マイクロＸ線蛍光分析装置（Ｂｒｕｋｅｒ社製、Ｍ４ ＴＲＡＮＤＯ）（測定条件は、電圧：５０ｋＶ、電流：２００μＡ、ライブタイム：１００ｓｅｃである。）によって測定して得られた各ニッケル濃度のうちの最大値及び最小値である。

さらに、表１中の「ニッケル濃度比」は、最大ニッケル濃度に対する最小ニッケル濃度の比である。

また、表１中の「鋳鉄部材由来成分比」は、突き合わせ部と溶接部の中央線とのずれに基づいて算出した。例えば、突き合わせ部と溶接部の中央線とにずれがない場合には、鋳鉄部材由来成分比は０．５であり、突き合わせ部に対して溶接部の中央線が鋳鉄部材側にずれている場合には、鋳鉄部材由来成分比は０．５超であるといった要領である。なお、鋼部材由来成分比は、１－（鋳鉄部材由来成分比）で算出できる。

［性能評価］
上記各例の溶接構造について、溶接部の割れ、溶接部の平均硬さ、及び溶接部の強度を下記の要領で観察、測定して、評価した。得られた結果を表２に示す。

（溶接部の割れ）
各例の溶接構造の溶接部の断面を光学顕微鏡（Ｌｅｉｃａ社製、ＤＭＩ５０００Ｍ、倍率：１００～５００倍）を用いて観察し、割れの有無等を評価した。なお、表２中の「溶接部の割れ」の項目における「無」は、割れが観察されなかったことを意味し、「有」は、割れが観察されたことを意味し、「有（微小）」は、割れが観察されたが、観察された割れが微小サイズであったことを意味する。

（溶接部の平均硬さ）
各例の溶接構造の溶接部の平均硬さを測定して、評価した。なお、溶接部の平均硬さは、各例の溶接構造の溶接部の断面において、溶接部の中央線の長さを２０の均等長さに分割するような分割領域を規定し、その分割領域ごとの中央線上のビッカース硬さを日本工業規格におけるビッカース硬さ試験－試験方法（ＪＩＳ Ｚ ２２４４－２００９）に準拠し、試験荷重を３００ｇｆとして測定し、各ビッカース硬さから得られた算術平均値である。

（溶接部の強度）
各例の溶接構造を精密万能試験機（株式会社島津製作所製、オートグラフＡＧ－Ｘ）を用いて４点曲げ試験（試験条件は、下支点間距離：５５ｍｍ、上支点間距離：１０ｍｍ、押込み速度：２ｍｍ／ｍｉｎである。）をしたときの破断状態を観察し、強度を評価した。なお、表２中の「溶接部の強度」の項目における「×」は、鋳鉄部材、鋼部材などの母材が破断する母材破断が生じることなく、溶接部が破断したことを意味し、「○」は、溶接部が破断するよりも先に母材破断が生じた頻度が高いことを意味し、「◎」は、溶接部が破断することなく、母材破断（鋳鉄部材側）が生じたことを意味する。

表１及び表２より、本発明の範囲に属する実施例１～４は、本発明外の比較例１～５と比較して、溶接部での割れの発生及び溶接部の低強度化が抑制ないし防止できることが分かる。また、実施例１～４は、外観観察の結果、溶接構造の溶接に起因する歪みの発生が抑制ないし防止されていた。

この理由は、鋳鉄からなる鋳鉄部材及び炭素鋼又は合金鋼のうちケイ素含有量が相対的に多い鋳鉄からなる鋳鉄部材で形成されたデフケース側に照射位置をずらしてファイバーレーザービームを照射したことによって、以下の（１）～（３）の特徴を有する溶接部が形成されたためであると考えられる。

（１）溶接部は、溶接部の幅方向の大きさが３．０ｍｍ以下である。
（２）溶接部は、ニッケル及びケイ素を含む。
（３）溶接部は、溶接部の中央線上の任意部位におけるケイ素濃度が０．９質量％以上である。

そして、実施例１や比較例１～５と比較して、実施例２～４が溶接部での割れの発生及び溶接部の低強度化を抑制ないし防止できる理由は、上記同様にデフケース側にファイバーレーザービームを照射したことによって、上記（１）～（３）の特徴に加えて、以下の（４）の特徴を有する溶接部が形成されたためであるとも考えられる。

（４）溶接部は、溶接部の中央線上の任意部位におけるケイ素濃度が１．１質量％以上であり、かつ、溶接部の中央線上のケイ素濃度の平均値（平均ケイ素濃度）が１．５質量％以上である。

なお、溶接部は、平均ケイ素濃度が１．５質量％以上であることから、鋳鉄部材で形成されたデフケース側からケイ素成分が効果的に溶け込んでいることが分かる。

また、比較例１～５と比較して、実施例１～４が溶接部での割れの発生及び溶接部の低強度化を抑制ないし防止できる理由は、上記同様にデフケース側にファイバーレーザービームを照射したことによって、上記（１）～（３）又は（１）～（４）の特徴に加えて、以下の（５）の特徴を有する溶接部が形成されたためとも考えられる。

（５）溶接部は、溶接部の中央線上の任意部位におけるニッケル濃度が０．５質量％以上４０質量％以下である。

さらに、実施例１や比較例１～５と比較して、実施例２～４が溶接部での割れの発生及び溶接部の低強度化を抑制ないし防止できる理由は、上記同様にデフケース側にファイバーレーザービームを照射したことによって、上記（１）～（３）、（１）～（４）又は（１）～（５）のいずれかの特徴に加えて、以下の（６）の特徴を有する溶接部が形成されたためとも考えられる。

（６）溶接部は、溶接部の中央線の長さを２０の均等長さに分割するような分割領域を規定した際、中央線上のニッケル濃度のうちの最大ニッケル濃度の分割領域に対する最小ニッケル濃度の分割領域のニッケル濃度比が０．１以上である。

なお、ニッケル濃度比が０．１以上であることから、ニッケル含有溶接ワイヤの成分にケイ素成分が溶け込み、ニッケル含有溶接ワイヤの溶融成分の粘性や表面張力が低下して、形成される溶接部の深さ方向においてニッケル含有溶接ワイヤの溶融成分の撹拌が促進されていることが分かる。

そして、比較例１～５と比較して、実施例１～４が溶接部での割れの発生及び溶接部の低強度化を抑制ないし防止できる理由は、上記同様にデフケース側にファイバーレーザービームを照射したことによって、上記（１）～（３）、（１）～（４）、（１）～（５）又は（１）～（６）のいずれかの特徴に加えて、以下の（７）の特徴を有する溶接部が形成されたためとも考えられる。

（７）溶接部は、溶接部の幅方向の大きさに対する溶接部の深さ方向の大きさの比が４以上である。

また、比較例１～５と比較して、実施例１～４が溶接部での割れの発生及び溶接部の低強度化を抑制ないし防止できる理由は、上記同様にデフケース側にファイバーレーザービームを照射したことによって、上記（１）～（３）、（１）～（４）、（１）～（５）、（１）～（６）又は（１）～（７）のいずれかの特徴に加えて、以下の（８）又は（９）の特徴を有する溶接部が形成されたためとも考えられる。

（８）溶接部は、鋳鉄部材に由来する成分及び鋼部材に由来する成分の合計に対する鋳鉄部材に由来する成分の比が０．５０超である。
（９）溶接部は、鋳鉄部材に由来する成分及び鋼部材に由来する成分の合計に対する鋳鉄部材に由来する成分の比が０．６０以上である。

なお、比較例１～５と比較して、実施例１～４、特に実施例２～４が溶接部での割れの発生及び溶接部の低強度化を抑制ないし防止できる理由は、上記同様にデフケース側にファイバーレーザービームを照射したことによって、上記（１）～（３）、（１）～（４）、（１）～（５）、（１）～（６）、（１）～（７）又は（１）～（７）、（８）若しくは（９）のいずれかの特徴に加えて、以下の（１０）の特徴を有する溶接部が形成されたためとも考えられる。

（１０）溶接部は、溶接部の中央線の長さを２０の均等長さに分割するような分割領域を規定した際、各分割領域の炭素濃度を測定し、測定した各分割領域の炭素濃度を用いて算出した平均値（平均炭素濃度）が好ましくは１．０質量％以上、より好ましくは１．５質量％以上、更に好ましくは２．０質量％以上、特に好ましくは２．４質量％以上である。

また、実施例１や比較例１～５と比較して、実施例２～４が溶接部での割れの発生及び溶接部の低強度化を抑制ないし防止できる理由は、溶接部に含まれるオーステナイトが増加したためとも考えられる。

つまり、溶接部の平均硬さが６００ＨＶ以上の場合、溶接部は延性組織であるオーステナイトよりも脆性組織マルテンサイトを多く含む。一方、溶接部の平均硬さが６００ＨＶ未満の場合、溶接部は延性組織であるオーステナイトを脆性組織であるマルテンサイトよりも多く含む。したがって、溶射部に含まれるオーステナイトが増加したため、溶接部の割れが効果的に防止されているとも考えられる。

さらに、比較例１～５と比較して、実施例１～４、特に実施例２～４が溶接部での割れの発生及び溶接部の低強度化を抑制ないし防止できる理由は、鋳鉄からなる鋳鉄部材及び炭素鋼又は合金鋼のうちケイ素含有量が相対的に多い鋳鉄からなる鋳鉄部材で形成されたデフケース側に５０μｍ以上、好ましくは１００μｍ以上照射位置をずらしてファイバーレーザービームを照射したことによって、上記（１）～（３）の特徴を有する溶接部が形成されたためであるとも考えられる。

このように、実施例２～４と実施例１とを比較すると、ファイバーレーザービームを照射して溶接する場合には、炭素鋼又は合金鋼からなる鋼部材で形成されたリングギヤ側より鋳鉄からなる鋳鉄部材で形成されたデフケース側に１００μｍ以上ビーム照射位置をずらすことがより好ましいことが分かる。

以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々の変形が可能である。

１０，２０ 溶接構造
１２，２２ デフケース（鋳鉄部材）
１４，２４ リングギヤ（鋼部材）
１６，２６ 溶接部
１２１，１４１ 円周部
１２３ 突部
１４３ 孔
２２１，２４１ 隙間
Ａ 突き合わせ部
Ｂ ファイバーレーザービーム
Ｃ 撮影装置
Ｎ ノズル
Ｗ ニッケル含有溶接ワイヤ（ニッケル含有溶接用金属材料）

Claims (2)

1. 鋳鉄からなる鋳鉄部材と、炭素鋼又は合金鋼からなる鋼部材と、前記鋳鉄部材及び前記鋼部材を接合する溶接部とを有する溶接構造を形成する溶接方法であって、
   前記溶接部は、前記溶接部の幅方向の大きさが３．０ｍｍ以下であり、前記溶接部は、ニッケル及びケイ素を含み、
   前記溶接部は、前記溶接部の中央線上の任意部位におけるケイ素濃度が０．９質量％以上２．０質量％以下であり、前記溶接部の平均炭素濃度が２．０質量％以上３．２質量％以下であり、
   前記鋳鉄部材と前記鋼部材とを突き合わせた突き合わせ部に、ニッケル含有溶接用金属材料を供給するとともに、前記突き合わせ部から前記鋳鉄部材側にずれた位置にファイバーレーザービームを照射する工程を有することを特徴とする溶接方法。
2. 前記ファイバーレーザービームを照射する位置が、前記突き合わせ部から前記鋳鉄部材側に５０μｍ以上ずれた位置であることを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。

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