JP2002160058A - 鋼材および鋼管の接合構造 - Google Patents
鋼材および鋼管の接合構造Info
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Abstract
接合部に高い耐久性を付与することを目的とする。 【解決手段】 外径が等しく肉厚が異なる鋼管1,2同
士が突合せ溶接され、外力が作用する接合において、厚
肉鋼管1の内径をテーパ状に拡径加工して薄肉鋼管2の
肉厚と等しくなる[A]部から等肉厚部3を形成すると
共に、[A]部から距離(d)だけ離れ、鋼管内面の表
面引張応力が極小になる[B]部を予め求めて突合せ溶
接部に設定することを特徴とする。
Description
同士および鋼管同士の突合せ溶接部における疲労強度に
関する。
例えば図8に示すようなものがある(第1従来例)。こ
の溶接構造は、外径が等しく、肉厚t1,t2が異なる鋼
管10,11同士が突合せ溶接されている。図示のよう
に、厚肉の鋼管10は内径から拡径するテーパ部(一般
に勾配は1/5以下)を形成して、薄肉の鋼管11の肉
厚t2と等しくなった部位([A]部)にて溶接されて
いる。
t1,t2が異なる鋼管12,13同士が突合せ溶接され
る場合もある(第2従来例、図11参照)。この場合に
は、厚肉の鋼管12は外径から縮径するテーパ部を形成
して、薄肉の鋼管13の肉厚t2と等しくなった部位
([A]部)にて溶接される。こうして、断面形状の急
変にともなう応力集中を避け、切欠係数を小さくして疲
労強度を高める方法が採られている。
けする方法、ショットピーニング、ハンマーピーニング
等によって溶接止端部の残留応力を表面圧縮応力化して
疲労強度を向上する方法も採られている。
な突合せ溶接では疲労強度上の弱点となる部分が存在す
る。すなわち、図9(第1従来例)に示すように、余盛
ビード14の止端部15が弱点となる部分の一つで、余
盛が大きい場合にビード止端部15に応力集中が生じ、
疲労亀裂発生の原因になり易い。
しており(例えばビード幅20mmのとき余盛高さは3
mm以下)、ビード止端部15も滑らかに仕上げること
が示されている。鋼管10,11の外面であれば、ビー
ド止端部15の仕上げが可能である。
ート部16があげられる。通常は片側からだけの溶接の
場合は裏波溶接を行うか、あるいは裏当て金をして溶接
する。しかし鋼管の突合せ溶接の場合、一般にルート部
16は内側からの手入れが困難であり、仕上げができな
い場合が多く、この部分が疲労強度に対する弱点になり
易い。
された両鋼管10,11が、軸方向の引張力Pを受けた
場合についての有限要素法(FEM)による応力解析結
果を示す。図10に示すように、[A]部から軸方向に
離れた部位における鋼管10内面の各引張応力σ1,σ2
はそれぞれ公称応力値σ1=P/A1,σ2=P/A2(こ
こにA1,A2は各鋼管の断面積)となるが、その中間の
内面における各引張応力σは図10に示すように変化す
る。
([A]部)において著しく大きな極大点が生じる。つ
いで、[A]部から距離(d)だけ離れた[B]部にて
薄肉鋼管11側の極小点が生じる。このように疲労亀裂
発生の起点となり易い突合せ溶接のルート部16と引張
応力σの極大点([A]部)が一致しているので、疲労
強度が極めて弱い構造であり、問題である。
13が突合せ溶接された場合についてのFEMによる応
力解析結果を示す。図11示のように、[A]部から軸
方向に離れた部位における鋼管12,13の内面の各引
張応力σ1,σ2は前記図10と同じ公称応力値である。
管12の公称応力値σ1の部位から薄肉鋼管13側へ向
かって図示のように変化する。[A]部から薄肉鋼管1
3側へ距離(d)離れた部位に極小点が生じるが、そ
の薄肉鋼管13側近傍に極大点が生じるので、溶接部位
の設定に注意を要する。
および鋼管同士の溶接接合部に高い耐久性を付与するこ
とを目的とする。
めに、本発明は次のように構成する。
接合された鋼材または鋼部材に外力が負荷されたとき、
厚さや形状の変化に起因する局部的な曲げモーメントが
接合部近傍に生じる接合構造において、外力の負荷時に
前記鋼材に生じる表面引張応力が相対的に小さい部位、
もしくは表面圧縮応力が発生する部位に、溶接部、また
は溶接形状に起因する切り欠きなどの応力集中部を合致
させて設定することを特徴とする。
なる鋼管同士の突合せ溶接接合において、厚肉鋼管の内
径をテーパ状に拡径して薄肉鋼管の肉厚と等しい等肉厚
部を形成すると共に等肉厚部を所定長さ設け、前記等肉
厚部の先端にて薄肉鋼管と突合せ溶接することを特徴と
する。
なる鋼管同士の突合せ溶接接合において、厚肉鋼管の外
径をテーパ状に縮径して薄肉鋼管の肉厚と等しい等肉厚
部を形成すると共に等肉厚部を所定長さ設け、前記等肉
厚部の先端にて薄肉鋼管と突合せ溶接することを特徴と
する。
載の鋼管の接合構造であって、前記接合された鋼管に軸
方向の引張力が作用したとき、原肉厚の中心のずれによ
って生じる局部的な曲げモーメントにより鋼管内面の表
面引張応力が極小になる部位を求め、前記極小部位に一
致するように前記等肉厚部の先端を設定することを特徴
とする。
く、肉厚の変化が小さい、または、肉厚の等しい鋼管同
士の突合せ溶接接合において、対向する鋼管の間に外径
または内径が等しく肉厚の異なる第三の鋼管を部分的に
挿入して、対向する鋼管と第三の挿入鋼管との接合部の
少なくとも一方において、請求項4記載の接合構造を適
用したことを特徴とする。
1項に記載の鋼管の接合構造であって、突合せ溶接接合
に裏当て金を使用したことを特徴とする。
の突合せ溶接接合において、外力に対して両部材間で応
力中心線がずれることに起因する局部的な曲げモーメン
トが接合部近傍に生じる場合に、表面引張応力が相対的
に小さい部位に溶接接合部を設定するので、その溶接接
合部の疲労強度を向上することが可能となる。
施形態を図1〜図3を参照して説明する。図1は,本実
施形態の鋼管の突合せ溶接接合部を示す断面図である。
図2、図3は,接合部近傍における軸方向の応力分布の
解析結果を示す説明図である。
形が800mmで等しく、肉厚はそれぞれ40mm、2
0mmである。鋼管1の内径側を切削加工などにより、
テーパ状(テーパ部の軸方向長さ40mm)に加工して
肉厚を徐々に減少させ、鋼管2の肉厚と等しくなった部
位([A]部)から等肉厚部3を所定長さ(d)だけ延
長させて形成している。所定長さ(d)はFEM解析に
よって予め求めておく。そして、所定長さ(d)の先端
([B]部)にて両鋼管1,2を突合せ溶接している。
溶接部の外面はグラインダー等により仕上げられる。
外力が作用した場合のFEM解析結果を示す。縦軸は鋼
管1,2の外表面と内表面の応力値を示し、横軸は
[A]部を0mm点とし、左右にそれぞれ鋼管1側、鋼
管2側への軸方向位置を示す。曲線4が外表面の応力変
化を示し、曲線5が内表面の応力変化を示す。内表面の
応力(曲線5)は0mm点([A]部)にて最大応力を
生じるが、[A]部から等肉厚部3上でd≒150mm
だけ先端側(薄肉鋼管2側)へずれた部位に極小点
([B]部)が生じる。
ある。前記の150mmずれた極小点([B]部)が突
合せ溶接部として設定される。突合せ溶接のルート部と
なる[B]部は鋼管の場合一般には溶接後の仕上げ加工
を行うことができず、溶け込み不足などの溶接欠陥によ
る応力集中が疲労破壊の起点になり易いので、[B]部
のような表面応力の極小点に溶接部を一致させることが
得策である。
図4〜図6を参照して説明する。図4は本実施形態の鋼
管の突合せ溶接接合部を示す断面図である。図5、図6
は接合部近傍における軸方向の応力分布の解析結果を示
す説明図である。
形が720mmで等しく、肉厚はそれぞれ40mm、2
0mmである。鋼管6の外径側を切削加工などによりテ
ーパ状(テーパ部の軸方向長さ40mm)に加工して肉
厚を徐々に減少させ、鋼管7の肉厚と等しくなった部位
([A]部)から等肉厚部3を所定長さ(d)だけ延長
させて形成している。所定長さ(d)はFEM解析によ
って予め求めておく。そして、所定長さ(d)の先端
([B]部)にて両鋼管を突合せ溶接している。溶接部
の外面はグラインダー等により仕上げられる。
かな曲面状となるように切削加工しても、効果は同様に
得られる。
外力が作用した場合の力FEM解析結果を示す。縦軸は
鋼管6,7の外表面と内表面の応力値を示し、横軸は
[A]部を0mmとし、左右にそれぞれ鋼管6側、鋼管
7側への軸方向位置を示す。曲線8が外表面の応力変化
を示し、曲線9が内表面の応力変化を示す。内表面の応
力(曲線9)は0mm点([A]部)の極近傍部位に極
小点([B]部)が生じる。
ある。0mm点([A]部)から等肉厚部3上でd≒5
mmだけ先端側(薄肉鋼管7側)へずれた部位に極小点
([B]部)が生じる。
([B]部)が突合せ溶接部として設定される。突合せ
溶接のルート部となる[B]部は鋼管の場合一般には溶
接後の仕上げ加工を行うことができず、溶け込み不足な
どの溶接欠陥による応力集中が疲労破壊の起点になり易
いので、[B]部のような表面応力の極小点に溶接部を
一致させることが得策である。
を、図7を参照して説明する。同図は、本実施形態の鋼
管の突合せ溶接接合部を示す断面図である。
管17、18同士の突合せ溶接接合においては、対向す
る鋼管17、18同士の板厚中心が一致し、そのため溶
接接合部に外力が負荷されたとき、局部的な曲げモーメ
ントは発生しない。したがって、表面応力が著しく変化
することはない。
外径が等しく肉厚の大きな第三の鋼管(挿入鋼管19)
を部分的に挿入して溶接する。すると、板厚中心に偏心
が生じて、外力が負荷されたとき、局部的な曲げモーメ
ントが発生し、表面応力に変動が発生する。
予め切削加工によって、テーパー状に加工して肉厚を徐
々に減少させ、対抗する鋼管17、18と同じ板厚とな
った部位から等肉厚部を所定長dだけ延長させて形成し
ている。所定長dの決め方は、第1実施形態と同様であ
る。
なりやすかった裏当て金を用いた溶接継ぎ手であって
も、疲労強度を落とすことなく適用できる。
17、または18と突き合わせ溶接している。突き合わ
せ溶接の少なくとも一方は、通常、大型構造物が構築さ
れる現場でなされるので、施工性を考慮して裏当て金2
0を用いた突き合わせ溶接としてもよい。
合せ溶接について説明したが、本発明は鋼管に限定され
ずに、例えば板厚の異なる板材やH形断面部材について
も適用可能であることは勿論である。
によれば、厚さの異なる鋼材や鋼管同士の突合せ溶接接
合部に外力が作用したとき、接合部近傍に局部的な曲げ
モーメントが生じる場合に、表面引張応力が相対的に小
さい部位に、溶接欠陥による応力集中が生じ易い溶接接
合部を設定するので、接合部の疲労強度を向上すること
が可能となる。
示す断面図である。
力分布の解析結果を示す説明図である。
示す断面図である。
力分布の解析結果を示す説明図である。
示す断面図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 対向部にて溶接接合された鋼材または鋼
部材に外力が負荷されたとき、厚さや形状の変化に起因
する局部的な曲げモーメントが接合部近傍に生じる接合
構造において、外力の負荷時に前記鋼材に生じる表面引
張応力が相対的に小さい部位、もしくは表面圧縮応力が
発生する部位に、溶接部、または溶接形状に起因する切
り欠きなどの応力集中部を合致させて設定することを特
徴とする鋼材の接合構造。 - 【請求項2】 外径が等しく肉厚が異なる鋼管同士の突
合せ溶接接合において、厚肉鋼管の内径をテーパ状に拡
径して薄肉鋼管の肉厚と等しい等肉厚部を形成すると共
に等肉厚部を所定長さ設け、前記等肉厚部の先端にて薄
肉鋼管と突合せ溶接することを特徴とする鋼管の接合構
造。 - 【請求項3】 内径が等しく肉厚が異なる鋼管同士の突
合せ溶接接合において、厚肉鋼管の外径をテーパ状に縮
径して薄肉鋼管の肉厚と等しい等肉厚部を形成すると共
に等肉厚部を所定長さ設け、前記等肉厚部の先端にて薄
肉鋼管と突合せ溶接することを特徴とする鋼管の接合構
造。 - 【請求項4】 請求項2または3に記載の鋼管の接合構
造であって、前記接合された鋼管に軸方向の引張力が作
用したとき原肉厚の中心のずれによって生じる局部的な
曲げモーメントにより鋼管内面の表面引張応力が極小に
なる部位を求め、前記極小部位に一致するように前記等
肉厚部の先端を設定することを特徴とする鋼管の接合構
造。 - 【請求項5】 外径または内径が等しく、肉厚の変化が
小さい、または、肉厚の等しい鋼管同士の突合せ溶接接
合において、対向する鋼管の間に外径または内径が等し
く肉厚の異なる第三の鋼管を部分的に挿入して、対向す
る鋼管と第三の挿入鋼管との接合部の少なくとも一方に
おいて、請求項4記載の接合構造を適用したことを特徴
とする鋼管の接合構造。 - 【請求項6】 請求項2〜5の何れか1項に記載の鋼管
の接合構造であって、突合せ溶接接合に裏当て金を使用
したことを特徴とする鋼管の接合構造。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000359104A JP4028684B2 (ja) | 2000-11-27 | 2000-11-27 | 鋼管の接合構造 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publication Number | Publication Date |
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JP2002160058A true JP2002160058A (ja) | 2002-06-04 |
JP4028684B2 JP4028684B2 (ja) | 2007-12-26 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019116760A (ja) * | 2017-12-27 | 2019-07-18 | 株式会社クボタ | 作業機のアーム |
-
2000
- 2000-11-27 JP JP2000359104A patent/JP4028684B2/ja not_active Expired - Fee Related
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