JP2014100718A - 補強方法および補強構造 - Google Patents

Abstract

【課題】補強対象に溶接する補強部材として平板を採用し、かつ安定した溶接品質を確保しながら、補強対象の剛性を満足すること。
【解決手段】本発明の補強方法は、平坦な補強板２０を補強対象１０上に配置し、補強板２０の外周縁Ｌ１と、外周縁Ｌ１の内側で、補強板２０および補強対象１０の少なくとも一方に形成する貫通孔２１がなす内周縁Ｌ２と、に沿って、補強板２０と補強対象１０とを溶接する。
【選択図】図１

Description

本発明は、補強のための部材を補強対象に溶接する補強方法に関する。

重量物を支持する台の剛性を確保するため、台の表面に補強部材を溶接することが行われている。その補強部材は、典型的には、断面がＣ字状、Ｈ字状等のチャンネル部材とされ、台を構成する側板（補強対象）の表面に縦横格子状に配置される。そして、各々のチャンネル部材が側板に溶接されるとともに、隣り合うチャンネル部材同士も溶接される。
ここで、補強部材として平板が用いられることもある。側板に平板が重ねられ、平板の外周側面と、側板の表面とがすみ肉溶接される。しかし、平板と側板とが向き合う面は接合されないので、補強の効果が、平板外周で受け持てる荷重の範囲に留まる。そこで、特許文献１では、平板の外周側面と側板の外表面とのすみ肉溶接に加え、レーザ溶接により、平板表面から補強対象の部材にまで溶け込ませた深溶け込み溶接を行うことによって、接合面積を拡大している。

特開２００３−２６８８０４号公報

チャンネル部材は、平板よりも剛性が高い点では補強部材として好ましいが、立体的な形状であるために、縦材と横材とが突き合わせられる部分の溶接作業がやり難い。もし、縦材、横材、それらに交差する斜材の３つのチャンネル部材を突き合わせて溶接しようとすると、平面的に重ならないようにカットされる各材の端面が３次元の複雑な形状となるので、それらを平面的、および高さ方向に位置決めしながら溶接するのが困難である。したがって、縦材、横材、および斜材により荷重を効果的に受けるのに好適な斜交い（はすかい）状の補強構造を採用したくとも、その溶接作業性を考慮すると、格子状の補強構造とせざるを得ない。そのため、チャンネル部材の断面積を十分に大きくして剛性を確保する必要がある。
一方、平板を用いると、突き合わせられる平板の端部を平面的に溶接すれば足りるので、斜交い状に容易に補強することができる。
ここで、特許文献１のように、補強対象の部材にまで溶け込ませる深溶け込み溶接を行えば、その深溶け込み溶接部でも荷重を受け持てるので補強効果が高まる。
しかし、深溶け込み溶接には、一般に、大型のレーザ装置が必要となるので、装置コストが高騰する。しかし、そのような装置を使わずに、深溶け込み溶接を安定した溶接品質で行うのは困難である。

以上で述べた課題に基づいて、本発明は、補強対象に溶接する補強部材として平板を採用し、かつ安定した溶接品質を確保しながら、補強対象の剛性を満足することを目的とする。

本発明の補強方法は、平坦な補強板を補強対象上に配置し、補強板の外周縁と、外周縁の内側で、補強板および補強対象の少なくとも一方に形成する貫通孔がなす内周縁と、に沿って、補強板と補強対象とを溶接することを特徴とする。

本発明によれば、補強板の外周縁のみならず、外周縁の内側でも補強板と補強対象とが溶接されるので、補強対象と補強板との接合面積拡大により、それらの溶着部に作用する平均応力が低減される。その結果、補強板がより大きい荷重を負担できるので、補強効果が高められる。
ここで、本発明では、補強板と補強対象とを補強板の外周縁よりも内側で溶接するのに、外周縁よりも内側に形成される貫通孔を利用しており、貫通孔が形成される部材（補強板または補強対象）と、貫通孔から露出する部材（補強対象または補強板）とを溶接している。そのため、貫通孔が形成されない箇所で補強板と補強対象とを厚さ方向に貫くように溶け込ませる深溶け込み溶接を行うことなく、安定した品質で接合面積を拡大させることができる。
以上により、安定した溶接品質を確保しながら、補強対象に必要な剛性を十分に確保できる。
また、本発明では、補強板が平坦な形状であるために、複数の補強板が突き合わせられる部分における各補強板の端面が単純な形状（平面矩形状）となるので、突き合わせ部を容易に溶接できる。したがって、複数の補強板を突き合わせ、補強効果の高い補強構造を採ることができる。そのため、チャンネル部材の断面積を十分に大きくして剛性を確保するのと比べて、補強部材の軽量化およびコスト低減を図ることができる。
本発明によれば、補強対象の一面上で、鉛直方向に沿う縦材である補強板と、縦材に対して傾斜する斜材である補強板と、水平方向に沿う横材である補強板と、を互いに突き合わせることにより、斜交い状の補強構造を実現できる。

本発明の補強方法において、補強板および補強対象のうち少なくとも補強対象に貫通孔を形成し、補強板および補強対象の一面側と、他面側との双方に、補強板と補強対象との溶着部を形成することが好ましい。
そうすると、一面側では他面に向けて凸の向き、他面側では一面に向けて凸の向きとなるよう、一面側と他面側とで各々、変形や残留応力を生じさせることによって、それら変形や残留応力をキャンセル（相殺）することができる。

また、上記構成は、例えば、箱の側面を形成する側板が補強対象とされ、箱の外側から補強板が見えないようにするために、箱の内側に補強板を設けるときに好適である。そのとき、箱の内側に位置する側板の内表面上に補強板を配置し、側板に貫通孔を形成すると、補強板の外周縁の溶接は箱の内側から行うが、側板の内周縁の溶接は、箱の外側から行うので、箱の外側よりもスペースが狭い箱の内側から外周縁と内周縁のいずれも溶接するのと比べて作業性を向上させることができる。

本発明の補強方法において、補強板を矩形とし、補強板の少なくとも一辺に沿って貫通孔を形成することが好ましい。
これにより、補強板の外周縁における対向する辺と、貫通孔の稜線との方向が揃い、それによって溶接線が互いに平行に延出する。そうすると、補強板および補強対象の一面側で溶接線の方向に関して生じる縦曲がり変形に対して、他面側で同じく溶接線の方向に関して生じる縦曲がり変形が逆向きに生じ、それらの縦曲がり変形が打ち消し合うことにより、縦曲がり変形を小さく抑えることができる。

さらに、一面側に形成される溶着部の図心と、他面側に形成される溶着部の図心との位置を揃えることが好ましい。
これにより、縦曲がり変形および横曲がり変形（角変形）を含む面外変形およびそれに対応する残留応力を一面側と他面側とで対称に生じさせて小さく抑えることができる。

本発明の補強方法は、斜材を備えて斜交い状に形成される補強構造にも展開できる。
その補強構造は、平坦な複数の補強板と、複数の補強板が配置される補強対象と、を備えている。
複数の補強板には、鉛直方向に沿う縦材と、縦材に対して傾斜し、縦材に接続される斜材と、水平方向に沿い、縦材および斜材に接続される横材と、が含まれる。
そして、補強板の各々は、その外周縁と、外周縁の内側で当該補強板および補強対象の少なくとも一方に形成される貫通孔がなす内周縁と、に沿って、補強対象に溶接されている。

本発明によれば、補強対象に溶接する補強部材として平板を採用し、かつ安定した溶接品質を確保しながら、補強対象との接合面積拡大により補強対象の剛性を満足できる。

（ａ）は、本発明の実施形態に係る補強対象および補強板を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線断面図である。 （ａ）は、湾曲した形状の補強板を示す平面図であり、（ｂ）は、円形状の補強板を示す平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の変形例に係る側板および補強板を示す断面図である。いずれも、図１（ｂ）と同様、補強板の幅方向に破断して示している。 （ａ）は、図３（ｃ）の平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＩＶｂ−ＩＶｂ線断面図である。 複数の補強板により形成される斜交い状の補強構造を示す平面図である。

以下、添付図面に示す実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１（ａ）および（ｂ）に示す補強対象１０は、平坦な補強板２０が溶接されることで補強されている。
補強対象１０は、板状に図示するが、任意の形状とされている。
矩形状の補強板２０には、補強板２０の幅方向中央に、長手方向に沿って貫通孔２１が形成されている。貫通孔２１は、補強板２０の四辺をなす外周縁Ｌ１よりも内側に区画される矩形状の空間とされている。
補強板２０の裏面２０２は、補強対象１０の表面１０１に対向している。
補強板２０の外周側面２２は、補強板２０の四辺（外周縁Ｌ１）に沿って補強対象１０の表面１０１とすみ肉溶接されている。それに加えて、補強板２０の貫通孔２１が形成する内周側面２３もまた、その四辺（内周縁Ｌ２）に沿って、貫通孔２１から露出する補強対象１０の表面１０１とすみ肉溶接されている。
したがって、補強板２０の外周縁Ｌ１には溶着部２４が形成され、補強板２０の内周縁Ｌ２には溶着部２５が形成されている。溶着部２４および溶着部２５は、余盛部を除く有効のど厚が補強板２０の厚みとほぼ同等とされている。
溶着部２５は、貫通孔２１の開口幅が狭い場合には、貫通孔２１の内側を埋めるように形成される（図３（ｃ）のスリット２６参照）。

外周縁Ｌ１および内周縁Ｌ２における溶接は、アーク溶接などの一般的な溶接手法により行われる。かかる溶接は、ハンディタイプのトーチを用いて行うことができる。
外周縁Ｌ１および内周縁Ｌ２のいずれを先に溶接してもよい。また、補強板２０の厚みによっては、複数パスによりビードが重ねられることによって溶着部２４および溶着部２５が形成される。
溶着部２４および溶着部２５には、必要に応じて、清浄処理および仕上げ処理が行われる。

以上のように、補強板２０の外周縁Ｌ１のみならず、外周縁Ｌ１の内側でも補強板２０と補強対象１０とが溶接されると、補強対象１０と補強板２０との接合面積拡大により、それらの溶着部（溶着部２４，２５）に作用する平均応力が低減される。その結果、補強板２０がより大きい荷重を負担できるので、補強効果が高められる。
ここで、本実施形態では、補強板２０と補強対象１０とを外周縁Ｌ１よりも内側で溶接するのに貫通孔２１を利用するため、貫通孔２１が形成されない箇所で補強板２０と補強対象３０とを厚さ方向に貫くように溶け込ませる深溶け込み溶接を行う必要がない。
したがって、深溶け込み溶接に用いる大型の装置を必要とすることなく、また、溶け込み範囲を制御して深く溶け込せるための高い技量も必要とすることなく、安定した溶接品質が得られる。

なお、本発明における補強板２０および貫通孔２１の形態は、任意とされる。
例えば、補強板２０の幅方向に沿って貫通孔２１を形成することもできる。
また、補強板２０を正方形状としてもよい。
さらに、図２（ａ）に示す湾曲した形状の補強板４０や、図２（ｂ）に示す円環状の補強板４５を用いることもできる。

ところで、補強板２０にではなく補強対象１０に貫通孔を形成することもできる。図３（ａ）では、板状の側板３０が補強対象とされ、その側板３０に貫通孔３１が形成されている。そして、貫通孔３１がなす内周縁Ｌ２に沿って、側板３０の内周側面３３と補強板２０の裏面２０２とが溶接されることにより、溶着部３５が形成されている。
図３（ａ）に示す構成は、箱の側面を形成する側板３０が補強対象とされ、箱の外側から補強板が見えないようにするために、箱の内側に補強板２０を設けるときに好適である。そのとき、箱の内側に位置する側板３０の内表面上に補強板２０を配置し、側板３０に貫通孔３１を形成すると、補強板２０の外周縁Ｌ１の溶接は箱の内側から行うが、側板３０の貫通孔３１がなす内周縁Ｌ２の溶接は箱の外側から行うこととなる。したがって、箱の外側よりも作業スペースが狭い箱の内側から外周縁Ｌ１と内周縁Ｌ２のいずれも溶接するのと比べて作業性を向上させることができる。

図３（ｂ）に示すように、側板３０に、貫通孔として、幅が狭いスリット３６を形成することもできる。スリット３６は、補強板２０の長手方向に沿って形成されている。スリット３６の内側全体に溶着部３５が形成されている。
ここでは２本のスリット３６が形成されているが、その本数は任意である。
さらに、図３（ｃ）に示すように、補強板２０および側板３０の双方に貫通孔を形成することもできる。ここでは、補強板２０に貫通孔としてのスリット２６が、側板３０の２本のスリット３６の間の位置で、これらのスリット３６に沿って形成されており、スリット２６の内側全体に溶着部２５が形成されている。
これらスリット２６およびスリット３６は、板厚方向に透視したときに幅の全体または一部が重なり合っていてもよい。

次に、溶接による変形および残留応力の抑制について説明する。
補強板２０と側板３０との溶接のように、板材の端面と、板材が重ねられる平面との溶接では、重ねられる板材のいずれか片面側（表面側Ｓ１または裏面側Ｓ２）のみからの入熱となり、その後冷却されるときの収縮が、周囲の拘束によって表面側（一面側）Ｓ１と裏面側（他面側）Ｓ２とで非対称に生じるので、面外変形が生じたり、変形しないまでも残留応力を生じうる。これらの面外変形や残留応力が生じると、溶着部に応力が生じ、強度が低下してしまう。
しかし、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、補強板２０および側板３０の表面側Ｓ１と裏面側Ｓ２との双方に溶着部を形成することにより、以下で説明する縦曲がり変形および横曲がり変形（角変形）を含む面外変形や残留応力を表面側Ｓ１と裏面側Ｓ２とで逆向きに生じさせてキャンセル（相殺）することができる。表面側Ｓ１では裏面側Ｓ２に向けて凸の向き、裏面側Ｓ２では表面側Ｓ１に向けて凸の向きとなるよう、表面側Ｓ１と裏面側Ｓ２とで各々、変形や残留応力を生じさるのである。

以下、変形のキャンセルについて説明するが、残留応力についても同様となる。
まず、溶接線の方向に関する縦曲がりについて説明する。
図３（ａ）〜（ｃ）に示す構成のいずれにおいても、補強板２０が矩形状に形成されるとともに、その長手方向に沿って貫通孔やスリットが形成されているので、図４（ａ）に示すように、長手方向に沿った溶接線ＷＬが補強板２０の幅方向に間隔をおいて互いに平行に延出する。そうすると、図４（ｂ）に示すように、補強板２０および側板３０の表面側Ｓ１で溶接線ＷＬの方向に関して生じる縦曲がり変形（矢印Ａ１で示す）に対して、裏面側Ｓ２で同じく溶接線ＷＬの方向に関して生じる縦曲がり変形（矢印Ａ２で示す）が逆向きに生じ、それらの縦曲がり変形が打ち消し合う。
ここで、図４（ｂ）に示すように、表面側Ｓ１の溶着部２４および溶着部２５の図心Ｇ１と、裏面側Ｓ２の溶着部３５の図心Ｇ２との位置が長手方向で揃っていると、縦曲がり変形をより小さく抑えることができる。

次に、溶接線ＷＬに垂直な方向に関する横曲がり変形は、図３（ｃ）に示すように、表面側Ｓ１における横曲がり変形（矢印Ｂ１で示す）と、裏面側Ｓ２における横曲がり変形（矢印Ｂ２で示す）とが打ち消し合う。
ここで、図３（ｃ）に示すように、表面側Ｓ１の溶着部２４および溶着部２５の図心Ｇ１と、裏面側Ｓ２の溶着部３５の図心Ｇ２との位置が補強板２０の幅方向で揃っていると、横曲がり変形をより小さく抑えることができる。
以上のように、補強板２０および側板３０の表面側Ｓ１と裏面側Ｓ２との双方に溶着部が形成される構成によれば、面外変形および残留応力をキャンセルすることができるので、溶着部の接合強度を確保することができる。

次に、図５を参照し、補強板を複数備える補強構造について説明する。
図５に示す補強対象としての側板３０は、図示しない直方体の箱状の台の一側面を形成する部材とされている。側板３０は、他の側板と、天板および底板と共に組み立てられている。
側板３０の一面上に配置される補強板２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃはいずれも上記の補強板２０と同様に構成されている。
縦材としての補強板２０Ａは、鉛直方向に沿っている。斜材としての補強板２０Ｂは、補強板２０Ａに対して傾斜し、補強板２０Ａに接続されている。そして、横材としての補強板２０Ｃは、水平方向に沿い、補強板２０Ｂに接続されるとともに、補強板２０Ｂを介して補強板２０Ａにも接続されている。これらの補強板２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃにより、斜交い状の補強構造が構成されている。

側板３０を有する台は、その天板上に、例えば数十トンの重量物を支持する。そのとき、重量物により鉛直方向に生じる応力の分力が補強板２０Ａに伝達され、補強板２０Ｂがそれを軸力により負担する分、補強板２０Ａおよび補強板２０Ｃの曲げ応力が除かれる。それにより、圧縮荷重に対する側板３０の耐力が大きくなる。

各補強板２０Ａ〜２０Ｃの互いに接続される端部は、平面的に重ならない形状にカットされ、側板３０上の一箇所で突き合わせられるように位置決めされる。そして、補強板２０Ａ〜２０Ｃの各々の外周縁Ｌ１および内周縁Ｌ２が側板３０の表面１０１に溶接されるとともに、互いの突き合わせ部の境界が溶接される。
補強板２０Ａ〜２０Ｃが平坦な形状であるために、突き合わせ部における各補強板の端面が単純な平面矩形状となるので、突き合わせ部を容易に溶接できる。したがって、複数の補強板２０Ａ〜２０Ｃを突き合わせ、補強効果の高い補強構造を採ることができる。
補強部材としてチャンネル部材を用いる場合は、斜交い構造とするのが難しいために、チャンネル部材の断面積を十分に大きくすることによって補強対象の剛性を確保しているが、本実施形態によればより小さい断面積の補強板２０Ａ〜２０Ｃにより必要な剛性が得られるので、補強部材の軽量化およびコスト低減を図ることができる。

ここで、溶着継手強度は、余盛部を除いた理論のど厚に溶接長さを乗算して得られるのど断面積に作用する平均応力で表される。したがって、溶着部２４および溶着部２５が、補強板に伝達される応力の方向に沿って、より長い区間で形成されていると、応力を受け持つのど断面積が拡大されるので、許容される平均応力が大きくなる。その結果、補強板２０はより大きい荷重を受け持てる。
以上より、溶着部２４が位置する外周縁Ｌ１、および溶着部２５が位置する内周縁Ｌ２のいずれも、長い区間で応力の方向に沿っているのが好ましい。
図５に示す構成では、鉛直方向の応力の分力が伝達される補強板２０Ｂが傾斜して配置されるとともに、その補強板２０Ｂの貫通孔２１も、その分力の方向に沿って形成されている。また、補強板２０Ｂにより曲げ応力が除かれる補強板２０Ａは、それが軸力により負担する鉛直方向の応力の方向に沿って配置されるとともに、その貫通孔２１も、その応力の方向に沿って形成されている。同様に、補強板２０Ｃは、それが軸力により負担する水平方向の応力の方向に沿って配置されるとともに、その貫通孔２１も、その応力の方向に沿って形成されている。

本発明の主旨を逸脱しない限り、上記で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
例えば、板状の補強対象１０の表面と裏面とに各々、補強板２０を溶接することにより、補強対象を補強することもできる。
補強対象の一例として、射出成形機を支持する台が挙げられる。但し、それに限定されることなく、種々の補強対象を補強するのに本発明の補強方法を用いることができる。

１０ 補強対象
２０，２０Ａ〜２０Ｃ，４０，４５ 補強板
２１，３１ 貫通孔
２２ 外周側面
２３，３３ 内周側面
２４，２５，３５ 溶着部
２６，３６ スリット
３０ 側板
１０１ 表面
２０２ 裏面
Ｇ１，Ｇ２ 図心
Ｌ１ 外周縁
Ｌ２ 内周縁
ＷＬ 溶接線
Ｓ１ 表面側
Ｓ２ 裏面側

Claims (6)

1. 平坦な補強板を補強対象上に配置し、
   前記補強板の外周縁と、
   前記外周縁の内側で、前記補強板および前記補強対象の少なくとも一方に形成する貫通孔がなす内周縁と、に沿って、
   前記補強板と前記補強対象とを溶接する、
   ことを特徴とする補強方法。
2. 前記補強板および前記補強対象のうち少なくとも前記補強対象に前記貫通孔を形成し、
   前記補強板および前記補強対象の一面側と、他面側との双方に、前記補強板と前記補強対象との溶着部を形成する、
   請求項１に記載の補強方法。
3. 前記補強板を矩形とし、
   前記補強板の少なくとも一辺に沿って前記貫通孔を形成する、
   請求項２に記載の補強方法。
4. 前記一面側に形成される前記溶着部の図心と、前記他面側に形成される前記溶着部の図心との位置を揃える、
   請求項３に記載の補強方法。
5. 前記補強対象の一面上で、
   鉛直方向に沿う縦材である前記補強板と、
   前記縦材に対して傾斜する斜材である前記補強板と、
   水平方向に沿う横材である前記補強板と、を互いに突き合わせる、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の補強方法。
6. 平坦な複数の補強板と、
   前記複数の補強板が配置される補強対象と、を備え、
   前記複数の補強板には、鉛直方向に沿う縦材と、前記縦材に対して傾斜し、前記縦材に接続される斜材と、水平方向に沿い、前記縦材および前記斜材に接続される横材と、が含まれ、
   前記補強板の各々は、その外周縁と、前記外周縁の内側で当該補強板および前記補強対象の少なくとも一方に形成される貫通孔がなす内周縁と、に沿って、前記補強対象に溶接されている、
   ことを特徴とする補強構造。

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