JP2010046682A - 溶接継手構造、この溶接継手構造を備えた構造物及び鋼床版 - Google Patents

Abstract

【課題】繰り返し荷重に対して高い耐久性を有する溶接継手構造、構造物、及び鋼床版を提供することを目的とすること。
【解決手段】鋼材１０と、一方側の面に開先部２２が形成され前記鋼材１０の加工面１１に前記開先部２２を含む端部２３を接して配置される補鋼材２１とを備え、前記鋼材１０と前記補鋼材２１とが前記開先部２２に溶接金属Ｍを充填した接続部により接続した溶接継手構造Ｗであって、前記溶接金属Ｍによる脆化部は、前記接続部の亀裂進展部位Ｆの領域外に形成されることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

この発明は、レーザ・アークハイブリッド溶接法による鋼材と、一方側の面に開先部が形成された補鋼材とを溶接接続してなる溶接継手構造、この溶接継手構造を備えた構造物及び鋼床版に関する。

周知のように、複数の鋼材を溶接接続した構造物が広く一般に用いられている。
例えば、高速道路をはじめとする道路や橋梁を建造する場合、鉄筋コンクリート床版と比較して重量が軽量で取扱性が良好であることから鋼床版が広く用いられており、構造物が大規模である場合や地盤等の設置条件について制限がある場合の有力な床構造として位置づけられている。

鋼床版は、コの字形のＵリブをデッキプレートに当接させて、このＵリブの外縁部に形成した開先部を溶接金属により充填してデッキプレートに溶接接続した溶接継手構造を有している。
この鋼床版の例では、Ｕリブの内側が壁部で閉じられているためにデッキプレートへのＵリブの溶接に際して非貫通の溶接継手部が形成され、鋼材と補鋼材との接続部近傍における溶接金属の先端部付近にはポロシティー等の球状欠陥が発生し易く、この球状欠陥を起点として亀裂進展部位に疲労破壊が発生しやすい（例えば、非特許文献１参照。）。
そのため、溶接継手構造における疲労破壊の耐久性を向上するために種々の技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
溶接学会平成１９年秋季全国大会講演概要 Ｖｏｌ.２００７ｆ 「鋼床版Uリブ接合へのレーザ溶接適用に関する検討」 特開２００８−１８４５８号公報

しかしながら、鋼床版では、鋼床版が支持している道路や橋梁を通過する自動車等の通過回数に応じて繰り返し荷重を受けるうえ、鋼床版を構成するデッキプレート、Ｕリブが荷重に対して比較的薄い鋼材により形成されているために溶接継手部には複雑な応力が作用して亀裂や疲労破壊が発生しやすいために溶接継手における信頼性をより向上することに対する技術的要請が強い。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、繰り返し荷重に対して高い耐久性を備えた溶接継手構造、構造物、鋼床版を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に記載の発明は、鋼材と、一方側の面に開先部が形成され前記鋼材の加工面に前記開先部を含む端部を接して配置される補鋼材とを備え、前記鋼材と前記補鋼材とが前記開先部に溶接金属を充填した接続部により接続した溶接継手構造であって、前記溶接金属による脆化部は、前記接続部の亀裂進展部位の領域外に形成されることを特徴とする。

この発明に係る溶接継手構造によれば、脆化部が、開先部に充填され鋼材と補鋼材とが接続された接続部の亀裂進展部位の領域外に形成されるので、繰返し荷重が加わっても脆化部を起点とする疲労破壊が亀裂進展部位に進展してゆくことが抑制される。
この明細書において、亀裂進展部位とは、繰返し荷重が加わった場合に発生する亀裂が、例えば、母材へと進展して亀裂が伝播してゆく経路を意味している。
また、脆化部とは、溶接を行なうことにより溶接金属の靭性が低下する部分であり、例えば、溶接において発生するポロシティー等の球状欠陥が発生する部位を指している。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の溶接継手構造であって、前記脆化部は、前記鋼材の内方に形成されていることを特徴とする。

この発明に係る溶接継手構造によれば、溶接金属の先端部に発生する脆化部が鋼材の内方に形成されていて加工面に露出していないので、確実に亀裂進展部位の領域外とされる。
その結果、亀裂進展部位に繰り返し荷重が加えられても繰り返し荷重による応力が脆化部に影響して疲労破壊が亀裂進展部位に進展することが抑制される。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の溶接継手構造であって、前記補鋼材を厚さｔの鋼板とした場合に、前記鋼材への前記溶接金属の溶け込みのうち、前記補鋼材の他方側の面を基準とする前記開先部と反対側への長さＬは、２ｍｍと、（１／３）ｔの少なくともいずれか一方の数値以上であることを特徴とする。

この発明に係る溶接継手構造によれば、補鋼材を厚さｔの鋼板とした場合に、前記鋼材への前記溶接金属の溶け込みのうち、前記補鋼材の他方側の面を基準とする前記開先部と反対側への長さＬは、２ｍｍと、（１／３）ｔの少なくともいずれか一方の数値以上とされているので脆化部が鋼材の内方に形成されるので、繰返し荷重によって亀裂進展部位に形成される応力が脆化部に影響されるのが抑制される。その結果、繰り返し荷重に対する耐久性が向上する。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の溶接継手構造であって、溶接ワイヤは、組成が、
Ｃ：０．１０％以下，Ｓｉ：０．２〜０．８％，Ｍｎ：１．０〜２．０％，Ｐ：０．００８％以下，Ｓ：０．００５％以下，Ｎｉ：１．０〜８．０％，Ｃｒ：９．０〜１５．０％，Ｎｂ：０．０５％以下，残部がＦｅ及び不可避的不純物とされ、
前記溶接金属中のＮｉ及びＣｒの成分の含有量を、［Ｎｉ］、［Ｃｒ］で表したとき、
［Ｎｉ］ｅｑ−０．４［Ｃｒ］ｅｑ≦５ とされることを特徴とする。

この発明に係る溶接継手構造によれば、柱状晶部位のＰ，Ｓが低減されているので、変態温度が低くなりレーザ・アークハイブリッド溶接法により溶接金属の高い溶け込み率を確保するとともに疲労破壊強度を向上させることができる。その結果、繰り返し荷重に対する鋼床版１の耐久性が向上し、疲労破壊の発生が抑制される。

請求項５に記載の発明は、構造物であって、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の溶接継手構造を備えることを特徴とする。

この発明に係る構造物によれば、繰り返し荷重に対する耐久性が向上し、疲労破壊の発生が抑制される。

請求項６に記載の発明は、鋼床版であって、前記鋼材がデッキプレートとされ、前記補鋼材がＵリブとされた請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の溶接継手構造を備えることを特徴とする。

この発明に係る鋼床版によれば、繰り返し荷重に対する耐久性が向上し、疲労破壊の発生が抑制される。

本発明に係る溶接継手構造、この溶接継手構造を備えた構造物及び鋼床版によれば、繰返し荷重が加わっても脆化部を起点とする疲労破壊が亀裂進展部位に伝播することが抑制され、その結果、亀裂進展部位における疲労破壊の発生を抑制することができる。

以下、図１から図４を参照し、この発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る溶接継手構造Ｗを適用した鋼床版（構造物）１を示しており、図２は、鋼床版１の一部を上下反転させた状態を示す図である。
また、図３は、本発明に係る溶接継手構造Ｗを示す図である。

鋼床版１は、図１に示すように、複数のＵリブ（補鋼材）２０をそれぞれの開口部２１の側をデッキプレート（鋼材）１０側に向けて、Ｕリブ２０が長手方向に沿って並列に配置されるとともに、図２に示すように、Ｕリブ２０の両端側の２ヶ所が溶接継手構造Ｗとされている。

デッキプレート１０は、例えば、溶接構造用鋼板（ＪＩＳ Ｇ ３１０６）からなる矩形に形成された平板である。なお、デッキプレート１０には、目的に応じて種々の鋼板を用いることが可能である。

Ｕリブ２０は、例えば、デッキプレート１０と同じ溶接構造用鋼板からなり、図２に示すように、長手方向に直交する断面が略コの字形とされ、このコの字形の対向する側壁部２１が開口部２０Ａの側が互いにわずかに離間した形状とされている。
また、側壁部２１の外方側（一方側）の面と開口部２０Ａ側の端面とを結ぶ切欠形状が形成され、この切欠形状が開先部２２とされている。
その結果、開先部２２は、側壁部２１の開口部２０Ａ側の端面をトップデッキ１０の加工面１１に接するようしてＵリブ２０をトップデッキ１０に配置した場合に壁部２１の外方に位置するようになっている。

溶接継手構造Ｗは、図３に示すように、鋼材をなすデッキプレート１０と、補鋼材をなすＵリブ２０の側壁部２１が、側壁部２１の外方側に形成された開先部２２に溶接金属Ｍを充填されることにより構成される接続部により接続された構成とされている。

また、Ｕリブ２０の側壁部２１が厚さｔである場合に、トップデッキ１０への溶接金属Ｍの溶け込みは、側壁部２１の内側（他方側）の面を基準とした場合に開先部２２と反対側に長さＬだけ伸びており、この長さＬは、２ｍｍと（１／３）ｔの少なくともいずれか一方の数値以上とされている。
具体的には、側壁部２１が、厚さｔが６ｍｍ未満の場合には、Ｌ＝２ｍｍとし、厚さｔが６ｍｍ以上の場合には、Ｌ＝（１／３）ｔ とすることが好適である。
その結果、溶接金属Ｍの溶け込みの先端部Ｓはデッキプレート１０の加工面１１に露出することなく安定してデッキプレート１０の内方に形成される。
脆化部は、この実施形態では、溶接に際して溶融した溶接用ワイヤが開先部２２に充填する際に、開先部２２の内面を形成するデッキプレート１０及びＵリブ２０を溶融するとともにこれら溶融した金属が混合されて溶接金属Ｍが生成され、デッキプレート１０及びＵリブ２０に溶け込んだ溶接金属の先端部Ｓ付近におけるポロシティー等の球状欠陥が発生する部分である。

また、実施の形態において用いられる溶接用ワイヤは、例えば、線径が、φ１．２から１．４ｍｍとされ、組成が、Ｃ：０．１０％以下，Ｓｉ：０．２〜０．８％，Ｍｎ：１．０〜２．０％，Ｐ：０．００８％以下，Ｓ：０．００５％以下，Ｎｉ：１．０〜８．０％，Ｃｒ：９．０〜１５．０％，Ｎｂ：０．０５％以下，残部がＦｅ及び不可避的不純物とされている。
また、溶接用ワイヤ中のＮｉ及びＣｒの成分の含有量を［Ｎｉ］、［Ｃｒ］で表したときに、［Ｎｉ］ｅｑ−０．４［Ｃｒ］ｅｑ≦５とされている。

この実施形態において、開先部２２への溶接金属Ｍの充填は、例えば、ＭＩＧトーチから繰り出された溶接用ワイヤをレーザ照射装置から照射されるレーザ光の焦点に供給し、溶接用ワイヤをアークにより溶融するとともに溶接用ワイヤが溶融した溶接金属Ｍをレーザ光の高密度の熱エネルギにより被溶接材に高速かつ安定的に溶け込ませる、いわゆるレーザ・アークハイブリッド溶接法が用いられている。

なお、Ｕリブ２０の端部２３とデッキプレート１０の加工面１１とが接触しＵリブ２０の内方側に形成される亀裂進展部位Ｆは、例えば、図３において２点鎖線で示すように未着部Ｒのデッキプレート１０とＵリブ２０の接続される部分を起点として母材であるＵリブ１０に進展する形態をなしている。

次に、鋼床版１の製造方法について説明する。
１）デッキプレート１０の加工面１１に、側壁部２１の開口部２０Ａの外側面と端面との間に開先部２２が形成されたＵリブ２０を、開口部２０Ａの側を加工面１１に向けるとともに端部２３を加工面１１に当接して配置する。
２）Ｕリブ２０の開先部２２にＭＩＧトーチから溶接用ワイヤを供給し、アークにより開先部２２内において溶接用ワイヤを溶融させるとともにレーザ溶接用のレーザ光を照射してデッキプレート１０、Ｕリブ２０の開先部表面の一部を溶接ワイヤとともに溶融しながら、それらが混合して構成された溶接金属Ｍにより開先部２２を充填する。
この溶接金属Ｍの充填の際に、開先部２２からデッキプレート１０側に大きな溶け込み部が形成され、溶接金属Ｍの溶け込み部がデッキプレート１０の内方に押し込まれる。
３）また、溶接金属Ｍの充填に際して、溶接金属Ｍの溶け込みが、加工面１１等デッキプレート１０の表面に露出しないような速度で溶接トーチが速度制御され、亀裂進展部位Ｆが脆化部の領域外となるように溶接して入熱量を調整する。
例えば、レーザ出力６〜８ｋｗ、トーチ速度７０〜９０ｃｍ/ｍｉｎとすることが好適である。

溶接継手構造Ｗ及び鋼床版１によれば、デッキプレート１０にＵリブ２０を溶接する際に溶接金属Ｍの溶け込みの先端部Ｓに形成される脆化部が、亀裂進展部位Ｆの領域外とされるので繰返し荷重が加わっても脆化部を起点とする疲労破壊が亀裂進展部位Ｆに進展することが抑制され、脆化部を起点とする亀裂の発生が抑制される。
その結果、溶接継手構造Ｗ及び鋼床版１における疲労破壊に対する耐久性が向上する。

また、溶接金属Ｍの先端部Ｓが鋼材の内方に形成され脆化部が加工面１１に露出することなく確実に亀裂進展部位Ｆの領域外とされる。
その結果、亀裂進展部位Ｆが繰り返し荷重を受けても脆化部が影響されることが抑制され、疲労破壊に対する耐久性が向上する。

また、側壁部２１を厚さｔの鋼板とした場合に、溶接金属Ｍの溶け込みのうち、側壁部２１の内側の面を基準として開先部２２と反対側に伸びる溶け込みの長さＬは、２ｍｍと、（１／３）ｔの少なくともいずれか一方の数値以上とされているので脆化部がデッキプレート１０の内方に形成され、その結果、繰返し荷重によって亀裂進展部位Ｆに形成される応力により脆化部が影響されることが抑制される。その結果、繰り返し荷重に対する耐久性が向上する。

また、溶接ワイヤの組成が、Ｃ：０．１０％以下，Ｓｉ：０．２〜０．８％，Ｍｎ：１．０〜２．０％，Ｐ：０．００８％以下，Ｓ：０．００５％以下，Ｎｉ：１．０〜８．０％，Ｃｒ：９．０〜１５．０％，Ｎｂ：０．０５％以下，残部がＦｅ及び不可避的不純物とされ、溶接金属Ｍ中のＮｉ及びＣｒの成分の含有量［Ｎｉ］、［Ｃｒ］が［Ｎｉ］ｅｑ−０．４［Ｃｒ］ｅｑ≦５ を満足して、柱状晶部位のＰ，Ｓが低減されているので、変態温度が低くなりレーザ・アークハイブリッド溶接法により溶接金属Ｍの高い溶け込み率を確保するとともに疲労破壊強度を向上させることができる。その結果、繰り返し荷重に対する鋼床版１の耐久性が向上し、疲労破壊の発生が抑制される。

図４は、上記実施の形態に係る溶接継手構造Ｗの疲労破壊強度について日本鋼構造協会（ＪＳＳＣ）のＳ−Ｎ図により示したものであり、横軸は疲労寿命Ｎ（ｃｙｃｌｅ）を、縦軸は応力範囲△σ（ＭＰａ）を表している。
また、図４において、
▲；レーザ・アークハイブリッド溶接法による本実施形態の溶接継手構造の疲労破壊強度
△；レーザ・アークハイブリッド溶接法による従来の溶接継手構造の疲労破壊強度
○；レーザ溶接法による従来の溶接継手構造の疲労破壊強度
▽；アーク溶接法による従来の溶接継手構造の疲労破壊強度
であり、実線Ｐは、低変態温度溶接材料及びＰ、Ｓを低減した組成の溶接用ワイヤの場合を例に、本実施形態に係る疲労寿命Ｎと、応力範囲△σ（ＭＰａ）の関係を示したものである。
また、破線Ｄで示したのはＪＳＳＣ疲労設計指針のＤ等級を、破線Ｅで示したのはＪＳＳＣ疲労設計指針のＥ等級を示している。

図４によれば、レーザ・アークハイブリッド溶接法による溶接継手構造Ｗは、繰返し荷重による応力２００ＭＰａの場合に、応力繰返し数を指標とする疲労寿命が２５００００（ｃｙｃｌｅ）から約７００００〜１００００００（ｃｙｃｌｅ）まで向上しており、疲労破壊に対する耐久性が大幅に向上することが確認された。なお、試験については、例えば、公知文献である溶接学会全国大会講演概要第８１集 Ｐ１２６に記載の試験方法に準拠している。

なお、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更をすることが可能である。
例えば、上記実施の形態においては、亀裂進展部位ＦがＵリブ２０とデッキプレート１０の接続部に形成され、さらにこの接続部に未着部Ｒが形成される場合について説明したが、亀裂進展部位Ｆが上記一実施形態に係る接続部以外の部位に形成されるものであってもよいし、未着部Ｒが形成されていない構成としてもよい。

また、上記実施の形態においては、溶接用ワイヤの組成が、Ｐ：０．００８％以下，Ｓ：０．００５％以下とされ、Ｐ、Ｓを低減した組成の溶接用ワイヤを用いる場合について説明したが、上記以外の組成の溶接用ワイヤを用いてもよい。

また、上記実施の形態においては、溶接接続された場合に内方が閉じられるＵリブ２０を補鋼材とし、Ｕリブ２０の外方に開先部２２が形成される場合について説明したが、例えば、溶接後も両側が閉じられることがない補鋼材を鋼材に溶接接続する場合の溶接継手構造Ｗに対しても適用可能であり、鋼材及び補鋼材はいずれも平板である必要はない。
また、上記実施の形態においては、開先部２２が平面視及び側面視において直線状に形成される場合についてしたが、例えば、平面視又は側面視した溶接金属Ｍの充填部が曲線等を含む形態であってもよい。

また、上記実施の形態においては、溶接継手構造Ｗが、鋼床版１に適用される場合について説明したが、例えば、鋼床版１以外の一般建築用構造物、船舶、航空機、プラント用構造部材等、他の構造物に適用可能であることはいうまでもない。
また、上記実施の形態においては、脆化部が、溶接金属Ｍがデッキプレート１０又はＵリブ２０への溶け込みの際に溶接金属Ｍの先端部Ｓに形成される場合について説明したが、例えば、他の部位に形成される脆化部に対して適用可能であることはいうまでもない。
また、上記実施の形態においては、脆化部が球状欠陥である場合について説明したが、球状欠陥に限られず疲労破壊の起因となる他の形態の脆化部に対して適用可能であることはいうまでもない。

本発明の一実施形態に係る鋼床版の概略を示す図である。 本発明の一実施形態に係る鋼床版の図１における矢視II−IIにおける断面の概略図である。 本発明の一実施形態に係る溶接継手構造の概略を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る溶接継手構造の効果を説明する図である。

符号の説明

Ｗ 溶接継手構造
Ｆ 亀裂進展部位
１ 鋼床版
２ 溶接継手構造Ｗ
１０ デッキプレート（鋼材）
２０ Ｕリブ（補鋼材）
２１ 側壁部（補鋼材）
２２ 開先部
２３ 端部

Claims (6)

1. 鋼材と、一方側の面に開先部が形成され前記鋼材の加工面に前記開先部を含む端部を接して配置される補鋼材とを備え、前記鋼材と前記補鋼材とが前記開先部に溶接金属を充填した接続部により接続した溶接継手構造であって、
   前記溶接金属による脆化部は、
   前記接続部の亀裂進展部位の領域外に形成されることを特徴とする溶接継手構造。
2. 請求項１に記載の溶接継手構造であって、
   前記脆化部は、
   前記鋼材の内方に形成されていることを特徴とする溶接継手構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載の溶接継手構造であって、
   前記補鋼材を厚さｔの鋼板とした場合に、
   前記鋼材への前記溶接金属の溶け込みのうち、前記補鋼材の他方側の面を基準とする前記開先部と反対側への長さＬは、
   ２ｍｍと、（１／３）ｔの少なくともいずれか一方の数値以上であることを特徴とする溶接継手構造。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の溶接継手構造であって、
   溶接ワイヤは、
   組成が、
   Ｃ：０．１０％以下，Ｓｉ：０．２〜０．８％，Ｍｎ：１．０〜２．０％，Ｐ：０．００８％以下，Ｓ：０．００５％以下，Ｎｉ：１．０〜８．０％，Ｃｒ：９．０〜１５．０％，Ｎｂ：０．０５％以下，残部がＦｅ及び不可避的不純物とされ、
   前記溶接金属中のＮｉ及びＣｒの成分の含有量を、［Ｎｉ］、［Ｃｒ］で表したとき、
   ［Ｎｉ］ｅｑ−０．４［Ｃｒ］ｅｑ≦５
   とされることを特徴とする溶接継手構造。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の溶接継手構造を備えることを特徴とする構造物。
6. 前記鋼材がデッキプレートとされ、前記補鋼材がＵリブとされた請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の溶接継手構造を備えることを特徴とする鋼床版。

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