JP2021030236A - 溶接構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】周溶接の溶接ルート部を起点とする疲労き裂の発生を効果的に抑制する。【解決手段】第１の管状部材、第２の部材、および第１の管状部材と第２の部材との間に充填または積層される溶接金属を含む溶接構造物であって、第１の管状部材と第２の部材との間に、溶接金属が充填または積層される溶接領域と、溶接金属が充填または積層されない非溶接領域とが形成され、非溶接領域に含まれる接触領域において、第１の管状部材と第２の部材とが接触することによって互いの間で応力が伝達される、溶接構造物が提供される。【選択図】図３

Description

本発明は、溶接構造物に関する。

管状部材に形成された周溶接の溶接継手は、土木構造物や機械で多く見られる。このような溶接継手は、例えば外的な繰り返し荷重や、管内に気体や液体を充填する場合の内圧による繰り返し荷重を受ける。このような繰返し応力下にある溶接継手では、溶接金属の表面と母材の表面との交点、具体的には溶接止端や溶接ルート部から疲労き裂が発生する場合がある。溶接止端や溶接ルート部が疲労き裂の起点になりやすいのは、（１）形状急変部であるために応力が集中する、（２）溶接熱によって引っ張り残留応力が導入される場合がある、（３）溶接熱によって母材の組織が劣化する、などの理由による。このうち、溶接止端については、切削加工や打撃処理などの後処理によって上記の原因を取り除き、疲労き裂の発生を抑制することが提案されている。

その一方で、特に片側からしかアクセスできない箇所における溶接ルート部については、上記のような後処理が困難であり、従って疲労き裂の発生を抑制することが容易ではなかった。そこで、例えば特許文献１では、流体圧シリンダでヘッド部材とシリンダチューブとの周溶接の溶接ルート部に発生する応力集中による疲労強度の低下を抑制するために、シリンダ表面に別の周溶接を施し、それによってヘッド部材とシリンダチューブとの周溶接部に圧縮残留応力を導入する技術が記載されている。

特開２００２−２５７２３８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、溶接数が増えるのに加えて、過大応力による残留応力が抜ける場合は効果が小さく、また潜在的なき裂の起点は溶接ルート部のままである。

そこで、本発明は、周溶接の溶接ルート部を起点とする疲労き裂の発生を効果的に抑制することが可能な溶接構造物を提供することを目的とする。

本発明のある観点によれば、第１の管状部材、第２の部材、および第１の管状部材と第２の部材との間に充填または積層される溶接金属を含む溶接構造物であって、第１の管状部材と第２の部材との間に、溶接金属が充填または積層される溶接領域と、溶接金属が充填または積層されない非溶接領域とが形成され、非溶接領域に含まれる接触領域において、第１の管状部材と第２の部材とが接触することによって互いの間で応力が伝達される、溶接構造物が提供される。

第１の管状部材または第２の部材の少なくともいずれかが、接触領域の近傍で弾性変形してもよい。

第２の部材は、第１の管状部材の内周面または端面に向かって凸な形状を有し、接触領域では、第２の部材の凸な形状を有する部分と第１の管状部材とが接触してもよい。

凸な形状を有する部分は、第２の部材の第１の管状部材の内周面または端面に対向する面の少なくとも一部に形成される斜角面の端縁であってもよい。

第２の部材は第１の管状部材の内部空間を少なくとも部分的に閉塞する板状部材であり、溶接領域および非溶接領域は、管状部材の内周面と第２の部材の端面との間に形成されてもよい。

第２の部材は第１の管状部材の内部空間を少なくとも部分的に閉塞する板状部材であり、溶接領域および非溶接領域は、第１の管状部材の端部の内周面と第２の部材の周縁部に形成される段継ぎ面との間に形成されてもよい。

溶接構造物は、第３の管状部材をさらに含み、第２の部材は、第１の管状部材と第３の管状部材とのそれぞれ内周面に当接され、溶接領域および非溶接領域は、第１の管状部材および第２の管状部材のそれぞれの内周面と第２の部材との間に形成されてもよい。

第２の部材は、第２の管状部材であり、溶接領域および非溶接領域は、第１の管状部材の端部の内周面と第２の管状部材の外周面との間に形成されてもよい。あるいは、第２の部材は、第２の管状部材であり、溶接領域および非溶接領域は、第１の管状部材の端面と第２の管状部材の端面との間に形成されてもよい。また、第１の管状部材の端面は、第２の部材の面に向かって凸な形状を有し、接触領域では、第１の管状部材の凸な形状を有する部分と第２の部材とが接触してもよい。

第１の管状部材または第２の部材の少なくともいずれかは、疲労耐久性の高い鋼材で形成されてもよい。

上記の構成によれば、周溶接の溶接ルート部を起点とする疲労き裂の発生を効果的に抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係る溶接構造物の斜視図である。 図１のＩ−Ｉ線断面図である。 図１に示す溶接構造物の溶接継手部分を拡大して示す断面図である。 本発明の第１の実施形態における応力伝達を模式的に示す図である。 比較例における応力伝達を模式的に示す図である。 溶接継手部分の別の例を示す断面図である。 溶接継手部分のさらに別の例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る溶接構造物の断面図である。 図８に示す溶接構造物の溶接継手部分の拡大図である。 本発明の第３の実施形態に係る溶接構造物の断面図である。 図１０に示す溶接構造物の溶接継手部分の拡大図である。 本発明の第４の実施形態に係る溶接構造物の断面図である。 図１２に示す溶接構造物の溶接継手部分の拡大図である。 本発明の第５の実施形態に係る溶接構造物の断面図である。 図１４に示す溶接構造物の溶接継手部分の拡大図である。 図１５に示した例の変形例を示す図である。 本発明の第６の実施形態に係る溶接構造物の断面図である。 図１７に示す溶接構造物の溶接継手部分の拡大図である。 本発明の実施例に係る試験装置を示す図である。 本発明の実施例に係る試験装置を示す図である。 本発明の実施例における試験結果を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る溶接構造物の斜視図であり、図２は図１のＩ−Ｉ線断面図である。図３は、図２に示す溶接構造物の溶接継手部分の拡大図である。本実施形態において、溶接構造物は、第１の管状部材である円形断面の鋼管１と、鋼管１の内部空間を少なくとも部分的に閉塞する板状部材であるダイヤフラム２とを含む。ダイヤフラム２の平面形状は円形であり、周縁の端面２Ｅが鋼管１の内周面１Ｓに周溶接されている。具体的には、ダイヤフラム２の端面２Ｅと鋼管１の内周面１Ｓとの間に溶接金属３が充填または積層されることによって、ダイヤフラム２が鋼管１に接合されている。なお、本明細書において、周溶接は管状部材の周方向の溶接を意味し、必ずしも管状部材の全周にわたる溶接でなくてもよい。

上記のような溶接構造物では、例えば２枚のダイヤフラム２を鋼管１に取り付けるとこれらのダイヤフラム２の間が閉じられた空間になるため、鋼管１とダイヤフラム２との間の溶接継手部分には片側、すなわちダイヤフラム２に対して鋼管１の開口側からしかアクセスできない。従って、溶接金属３は、鋼管１の内周面１Ｓとダイヤフラム２の端面２Ｅとの間に、鋼管１の開口側から充填または積層され、溶接止端３Ａ，３Ｂの後処理も同様に鋼管１の開口側からのアクセスのみによって行われる。

このような場合において、ダイヤフラム２の外側に位置する溶接金属３の表面と母材の表面との交点、すなわち溶接止端３Ａ，３Ｂについては、図示された例のように切削加工などの後処理を行うことで疲労き裂の発生を抑制することができる。なお、本実施形態において溶接止端３Ａ，３Ｂの後処理は公知の手法によって適宜行われるため、詳細な説明は省略する。切削加工以外の方法で溶接止端３Ａ，３Ｂの後処理が施されてもよく、また後処理が省略されてもよい。

一方、ダイヤフラム２の内側に位置する溶接金属３の表面と母材の表面との交点、溶接ルート部３Ｃについては、アクセスが困難であることから、後処理によって疲労き裂の発生を抑制することが容易ではない。そこで、本実施形態では、以下で説明するように鋼管１とダイヤフラム２との間の非溶接領域で鋼材同士が接触して互いに応力を伝達することを可能にする構造を採用し、それによって溶接ルート部を起点とする疲労き裂の発生を効果的に抑制する。なお、簡単のため鋼管１の内周面１Ｓと溶接金属３との交点が溶接ルート部３Ｃとして図示されているが、ダイヤフラム２の端面２Ｅと溶接金属３との交点である溶接ルート部についても同様に疲労き裂の発生が抑制される。

図３に示されるように、鋼管１とダイヤフラム２との間の溶接継手部分では、ダイヤフラム２の外側から溶接金属３が充填または積層されることによって、鋼管１とダイヤフラム２との間に溶接領域Ｒ１と非溶接領域Ｒ２とが形成される。溶接領域Ｒ１は、鋼管１とダイヤフラム２との間に溶接金属が充填または積層される領域である。図３では、鋼管１の内周面１Ｓとダイヤフラム２の端面２Ｅとの間に形成される溶接領域Ｒ１が図示されている。なお、溶接領域Ｒ１では設計上、鋼管１の内周面１Ｓとダイヤフラム２の端面２Ｅとの間に溶接金属３が充填されるが、溶接によって母材である鋼管１およびダイヤフラム２と溶接金属３とが溶融するため、溶接後の溶接領域Ｒ１において内周面１Ｓおよび端面２Ｅが明確に判別できるとは限らない。

一方、非溶接領域Ｒ２は、鋼管１とダイヤフラム２との間に溶接金属が充填または積層されない領域である。図３では、鋼管１の内周面１Ｓとダイヤフラム２の端面２Ｅとの間に形成される非溶接領域Ｒ２が図示されている。鋼管１の内周面１Ｓとダイヤフラム２の端面２Ｅとの間で溶接領域Ｒ１と非溶接領域Ｒ２との境界に位置する溶接金属３の端縁が、溶接ルート部３Ｃである。本実施形態では、この非溶接領域Ｒ２に含まれる接触領域Ｒ３において、鋼管１とダイヤフラム２とが接触することによって互いの間で応力が伝達される。より具体的には、図示された例において、ダイヤフラム２の端面２Ｅは全体が斜角面であり、接触領域Ｒ３では斜角面の端縁２Ｇを含む部分と鋼管１の内周面１Ｓとが接触する。

なお、図３に示された例では、接触領域Ｒ３において鋼管１とダイヤフラム２とが応力伝達が可能な程度に強く接触するため、接触領域Ｒ３の近傍で鋼管１が弾性変形している。なお、説明のために大きな弾性変形が図示されているが、必ずしもこのように大きな弾性変形が生じるとは限らない。鋼管１に加えてダイヤフラム２にも弾性変形が生じてもよく、ダイヤフラム２だけに弾性変形が生じてもよい。このような弾性変形は、例えば溶接後の熱収縮によってダイヤフラム２が鋼管１に対して押し付けられることによって発生する。

また、図３に示された例では、ダイヤフラム２が、鋼管１に向かって凸な形状、具体的には端面２Ｅの全体に形成される斜角面の端縁２Ｇを有する。これによって、例えば、溶接前には端縁２Ｇが鋼管１の内周面１Ｓに接触しないか、またはわずかに接触する程度であったとしても、溶接後の熱収縮によって端面２Ｅと内周面１Ｓとの間の距離が縮まることによって端縁２Ｇを内周面１Ｓに押し付け、接触領域Ｒ３において鋼管１とダイヤフラム２との間で応力が伝達される状態を実現することができる。さらに、本実施形態では、鋼管１の径方向の熱収縮に加えて、鋼管１の周方向の熱収縮も生じるため、溶接前にはダイヤフラム２の端面２Ｅが内周面１Ｓから離隔していたとしても、溶接後に端縁２Ｇを内周面１Ｓに押し付け、接触領域において鋼管１とダイヤフラム２との間で応力が伝達される状態を実現することができる。

図４は、本発明の第１の実施形態における応力伝達を模式的に示す図であり、図５は比較例における応力伝達を模式的に示す図である。図４に示される例では、ダイヤフラム２の端縁２Ｇを含む部分が鋼管１の内周面１Ｓに接触する接触領域Ｒ３（図３参照）で集中的に応力ＳＴが伝達されることによって、溶接ルート部３Ｃへの応力集中が緩和される。応力が集中する接触領域Ｒ３が疲労き裂の起点になる可能性はあるものの、上述のように接触領域Ｒ３は非溶接領域Ｒ２にあるため、溶接熱による残留応力や母材の組織劣化などの影響が小さく、従って接触領域Ｒ３を起点とする疲労き裂が発生する可能性は溶接ルート部３Ｃに比べて低い。母材、すなわち鋼管１またはダイヤフラム２の少なくともいずれかを、例えば特許第４００００４９号公報、特許第４４６６１９６号公報、および特許第５３０４６１９号公報などに記載されたような疲労耐久性が高い鋼材で形成することによって、接触領域Ｒ３から疲労き裂が発生する可能性をさらに小さくすることができる。また、接触領域Ｒ３を溶接領域Ｒ１から離隔させることによって、残留応力や母材の組織劣化などの影響をより小さくしてもよい。

一方、図５に示される例では、非溶接領域Ｒ２において鋼管１とダイヤフラム２とが接触していないため、非溶接領域Ｒ２と溶接領域Ｒ１との境目に位置する溶接ルート部３Ｃに応力ＳＴが集中する。既に述べたように、溶接ルート部３Ｃでは溶接熱による残留応力や母材の組織劣化などの影響が大きいため、疲労き裂が発生しやすい。なお、図４および図５では、例として鋼管１の内周面１Ｓに対して平行な方向の応力ＳＴが図示されているが、ダイヤフラム２の板面に対して平行な方向の応力や、それぞれの方向の曲げ応力の伝達についても同様の傾向が示される。

図６は、溶接継手部分の別の例を示す断面図である。図６に示された例では、ダイヤフラム２の端面２Ｅの一部に斜角面２Ｂが形成され、斜角面２Ｂの端縁２Ｇが非溶接領域Ｒ２に含まれる接触領域Ｒ３で鋼管１の内周面１Ｓに接触する。このように、ダイヤフラム２の端面２Ｅ（鋼管１の内周面に対向する面）に形成される斜角面の端縁が鋼管１に向かって凸な形状になり、この端縁を含む部分が鋼管１の内周面１Ｓに接触させられる構成については様々な変形例が可能である。

また、例えば、ダイヤフラム２が全体として凹状であって、ダイヤフラム２の端部が鋼管１に対して直角ではなく角度をもって当接される場合（つまり、鋼管１の内周面１Ｓとダイヤフラム２の端面２Ｅとの間に自然開先が形成されるような場合）、端面２Ｅに斜角面を形成しなくても、端面２Ｅの端縁が鋼管１に向かって凸な形状になり、この端縁を含む部分を鋼管１の内周面１Ｓに接触させることによって、接触領域Ｒ３において鋼管１とダイヤフラム２との間で応力が伝達される状態を実現することができる。

図７は、溶接継手部分のさらに別の例を示す断面図である。図７に示された例では、ダイヤフラム２の端面２Ｅに斜角面２Ｂが形成されるが、斜角面の端部が角張った端縁を形成するのではなく、曲面２Ｃを形成する。曲面２Ｃは、例えば円筒断面であってもよい。この場合も、曲面２Ｃが鋼管１に向かって凸な形状になり、ダイヤフラム２の曲面２Ｃを含む部分が接触領域Ｒ３で鋼管１に接触することによって応力が伝達される。この例のように、ダイヤフラム２に形成される凸な形状は必ずしも角張った形状でなくてもよい。接触領域Ｒ３における鋼管１とダイヤフラム２との間の接触は、必ずしも線状（断面では点状）の領域における接触でなくてもよく、ある程度の幅をもった領域における接触であってもよい。また、溶接線に沿った方向（管状部材の周方向、図７では奥行き方向）について、接触領域Ｒ３における鋼管１とダイヤフラム２との間の接触状態は一様でなくてもよい。具体的には、例えば、溶接線に沿った方向で接触領域Ｒ３の幅が変化したり、一部の区間では接触領域Ｒ３が途切れたりしてもよい。

以上、本発明の第１の実施形態について説明した。なお、本実施形態の構成は、鋼管１とダイヤフラム２を含む溶接構造物だけではなく、同様に第１の管状部材と第２の部材とを断面においてＴ形に組み合せることによって構成される継手を含む様々な溶接構造物に適用することが可能である。

（第２の実施形態）
図８は本発明の第２の実施形態に係る溶接構造物の断面図であり、図９は図８に示す溶接構造物の溶接継手部分の拡大図である。本実施形態において、溶接構造物は、第１の管状部材である鋼管１１と、鋼管１１の内部空間を少なくとも部分的に閉塞する板状部材である蓋体１２とを含む。蓋体１２の平面形状は円形であり、周縁部には板面に対して略垂直な段継ぎ面１２Ｐが形成されている。鋼管１１は、端部の内周面１１Ｓが蓋体１２の段継ぎ面１２Ｐに対向するように蓋体１２に嵌合される。ここで、図９に示された例では鋼管１１の端面１１Ｅが斜角面を含み、端面１１Ｅと段継ぎ面１２Ｐに隣接する蓋体１２の立ち上がり面１２Ｑとの間に形成される開先に溶接金属３が充填または積層される。溶接金属３は開先の底部まで到達し、溶接ルート部３Ｃは鋼管１１の内周面１１Ｓと蓋体１２の段継ぎ面１２Ｐとの間に形成される。

上記のような図８および図９に示された例では、鋼管１１の内周面１１Ｓと蓋体１２の段継ぎ面１２Ｐとの間に溶接領域Ｒ１と非溶接領域Ｒ２とが形成され、非溶接領域Ｒ２は接触領域Ｒ３が含まれる。ここで、溶接領域Ｒ１は、鋼管１１の端面１１Ｅと蓋体１２の立ち上がり面１２Ｑとの間に形成された開先に充填または積層された溶接金属３が流れ込むことによって、鋼管１１の内周面１１Ｓと蓋体１２の段継ぎ面１２Ｐとが部分的に溶融した領域である。図示された例において、段継ぎ面１２Ｐは全体が斜角面である。接触領域Ｒ３では斜角面である段継ぎ面１２Ｐの端縁１２Ｇを含む部分と鋼管１１の内周面１１Ｓとが接触する。

これによって、図８および図９に示された例でも、鋼管１１の内周面１１Ｓと蓋体１２の段継ぎ面１２Ｐとの間に形成される溶接ルート部への応力集中を緩和し、溶接ルート部を起点とする疲労き裂の発生を効果的に抑制することができる。蓋体１２の段継ぎ面１２Ｐの構成として、例えば上記で図６および図７を参照して説明したような例を採用することも可能である。

（第３の実施形態）
図１０は本発明の第３の実施形態に係る溶接構造物の断面図であり、図１１は図１０に示す溶接構造物の溶接継手部分の拡大図である。本実施形態において、溶接構造物は、第１の管状部材である鋼管２１の端面２１Ｅと、第３の管状部材である鋼管２３の端面２３Ｅとが互いに突き合わされることによって構成される突合せ管継手を含む。図示された例において、嵌合リング２２は鋼管２１，２３のそれぞれの内側に嵌合することによって鋼管２１，２３の内周面２１Ｓ，２３Ｓに当接される嵌合管状部材である。鋼管２３の端面２３Ｅは斜角面を含み、鋼管２１の端面２１Ｅと鋼管２３の端面２３Ｅとの間に形成される開先に溶接金属３が充填または積層される。溶接金属３は開先の底部まで到達し、溶接ルート部３Ｃは鋼管２１の内周面２１Ｓと嵌合リング２２の外周面２２Ｓとの間、および鋼管２３の内周面２３Ｓと嵌合リング２２の外周面２２Ｓとの間にそれぞれ形成される。

上記のような図１０および図１１に示された例では、鋼管２１の内周面２１Ｓと嵌合リング２２の外周面２２Ｓとの間に溶接領域Ｒ１と非溶接領域Ｒ２とが形成され、非溶接領域Ｒ２は接触領域Ｒ３を含む。ここで、溶接領域Ｒ１は、鋼管２１の端面２１Ｅと鋼管２３の端面２３Ｅとの間に形成された開先に充填または積層された溶接金属３が流れ込むことによって、鋼管２１の内周面２１Ｓと嵌合リング２２の外周面２２Ｓとが部分的に溶融した領域である。鋼管２１の内周面２１Ｓに対向する嵌合リング２２の外周面２２Ｓの一部には斜角面２２Ｂが形成され（つまり、嵌合リング２２は少なくとも片側が裾広がりになった形状を有し）、斜角面２２Ｂの端縁２２Ｇを含む部分が接触領域Ｒ３で鋼管２１の内周面２１Ｓに接触する。

これによって、図１０および図１１に示された例でも、鋼管２１の内周面２１Ｓと嵌合リング２２の外周面２２Ｓとの間に形成される溶接ルート部３Ｃへの応力集中を緩和し、溶接ルート部３Ｃを起点とする疲労き裂の発生を効果的に抑制することができる。嵌合リング２２の外周面２２Ｓの構成として、例えば上記で図３および図６を参照して説明したような例を採用することも可能である。また、図示されているように、鋼管２３の内周面２３Ｓと嵌合リング２２の外周面２２Ｓとの間にも溶接領域および非溶接領域が形成され、非溶接領域に含まれる接触領域で外周面２２Ｓと内周面２３Ｓとを互いに接触させることによって応力を伝達させ、鋼管２３側での溶接ルート部を起点とする疲労き裂の発生を抑制してもよい。なお、嵌合リングは全周にわたって一体的に形成された部材でなくてもよく、例えば周方向に２つ、または３つの部分に分割されていてもよい。また、管状またはリング状ではない部材を突合せ管継手の周方向の一部で鋼管２１，２３の内周面２１Ｓ，２３Ｓに当接させた状態で溶接を実施することによって、上記の嵌合リング２２の例と同様に溶接ルート部を起点とする疲労き裂の発生を抑制してもよい。

（第４の実施形態）
図１２は本発明の第４の実施形態に係る溶接構造物の断面図であり、図１３は図１２に示す溶接構造物の溶接継手部分の拡大図である。本実施形態において、溶接構造物は、第１の管状部材である鋼管３１と、第２の管状部材である鋼管３２とを含む。鋼管３２の外周面の一部が、鋼管３１に接続される端部において切り欠かれて段継ぎ面３２Ｐを形成している。鋼管３１は、端部の内周面３１Ｓが段継ぎ面３２Ｐに対向するように鋼管３２の端部に嵌合される。ここで、図示された例では鋼管３１の端面３１Ｅが斜角面を含み、端面３１Ｅと段継ぎ面３２Ｐに隣接する鋼管３２の立ち上がり面３２Ｑとの間に形成される開先に溶接金属３が充填または積層される。溶接金属３は開先の底部まで到達し、溶接ルート部は鋼管３１の内周面３１Ｓと鋼管３２の段継ぎ面３２Ｐとの間に形成される。本実施形態において、段継ぎ面３２Ｐは全体が斜角面であり、段継ぎ面３２Ｐの端縁３２Ｇを含む部分が鋼管３１の内周面３１Ｓに接触することによって、例えば上述した第２の実施形態と同様の溶接領域Ｒ１、非溶接領域Ｒ２、および接触領域Ｒ３が形成される。接触領域Ｒ３で集中的に応力が伝達されることによって、溶接ルート部への応力集中を緩和することができる。

なお、図１２に示された例では鋼管３１の外径と鋼管３２の外径とが一致するため鋼管３２の外周面の一部を段継ぎ面３２Ｐとしているが、例えば鋼管３２の外径が鋼管３１の外径よりも小さく鋼管３１の内径と同程度である場合には、段継ぎ面３２Ｐを形成することなく鋼管３１の端面３１Ｅと鋼管３２の外周面との間に重ね継手状の溶接部を形成してもよい。この場合、鋼管３１の内周面３１Ｓと鋼管３２の外周面（段継ぎ面ではない）との間に上記のような溶接領域Ｒ１、非溶接領域Ｒ２、および接触領域Ｒ３が形成される。

（第５の実施形態）
図１４は本発明の第５の実施形態に係る溶接構造物の断面図であり、図１５は図１４に示す溶接構造物の溶接継手部分の拡大図である。本実施形態において、溶接構造物は、第１の管状部材である鋼管４１と、鋼管４１の内部空間を少なくとも部分的に閉塞する板状部材である蓋体４２とを含む。蓋体４２の平面形状は円形である。鋼管４１は、端面４１Ｅが蓋体４２の板面４２Ｓに対向するように蓋体４２に当接される。ここで、図１５に示された例では鋼管４１の端面４１Ｅが斜角面を含み、端面４１Ｅと蓋体４２の板面４２Ｓとの間に形成される開先に溶接金属３が充填または積層される。従って、溶接ルート部３Ｃは鋼管４１の端面４１Ｅと蓋体４２の板面４２Ｓとの間に形成される。

上記のような図１４および図１５に示された例では、鋼管４１の端面４１Ｅと蓋体４２の板面４２Ｓとの間に溶接領域Ｒ１と非溶接領域Ｒ２とが形成され、非溶接領域Ｒ２には接触領域Ｒ３が含まれる。ここで、溶接領域Ｒ１は、溶接金属３が充填または積層されることによって鋼管４１の端面４１Ｅと蓋体４２の板面４２Ｓとが部分的に溶融した領域である。図示された例において、端面４１Ｅは全体が斜角面であり、接触領域Ｒ３では斜角面である端面４１Ｅの端縁４１Ｇを含む部分と蓋体４２の板面４２Ｓとが接触する。

図１６は、図１５に示した例の変形例を示す図である。図１６に示された例では、鋼管４１の端面４１Ｅと蓋体４２の板面４２Ｓとの間に開先が形成される点は図１５の例と同様であるが、図１５の例とは逆に蓋体４２の板面４２Ｓの一部に斜角面が形成される。この場合、接触領域Ｒ３では、板面４２Ｓに形成された斜角面の端縁４２Ｇを含む部分と鋼管４１の端面４１Ｅとが接触する。

上記の図１４から図１６に示された例でも、非溶接領域Ｒ２に含まれる接触領域Ｒ３において鋼管４１の端面４１Ｅと蓋体４２の板面４２Ｓとを接触させることによって、溶接ルート部への応力集中を緩和し、溶接ルート部を起点とする疲労き裂の発生を効果的に抑制することができる。

（第６の実施形態）
図１７は本発明の第６の実施形態に係る溶接構造物の断面図であり、図１８は図１７に示す溶接構造物の溶接継手部分の拡大図である。本実施形態において、溶接構造物は、第１の管状部材である鋼管５１Ａと、第２の管状部材である鋼管５１Ｂとを含む。鋼管５１Ａ，５２Ｂは、それぞれの端面５１１Ｅ，５１２Ｅが互いに対向するように配置される。図示された例では、鋼管５１Ｂの端面５１２Ｅが斜角面を含み、端面５１２Ｅと端面５１１Ｅとの間に形成される開先に溶接金属３が充填または積層される。溶接ルート部３Ｃは、鋼管５１Ａ，５１Ｂの端面５１１Ｅ，５１２Ｅの間に形成される。本実施形態において、鋼管５１Ｂの端面５１２Ｅの斜角面の端縁５１２Ｇを含む部分が鋼管５１Ａの端面５１１Ｅに接触することによって、鋼管５１Ａ，５１Ｂの間に溶接領域Ｒ１、非溶接領域Ｒ２、および接触領域Ｒ３が形成される。接触領域Ｒ３で集中的に応力が伝達されることによって、溶接ルート部３Ｃへの応力集中を緩和することができる。

なお、図１７に示された例において鋼管５１Ｂは鋼管５１Ａに連続する管状部材であるが、他の例では、第２の管状部材が短い管状部分と管状部分に接合された蓋部分とを含み、鋼管５１Ａの内部空間を閉塞してもよい。この場合も、鋼管５１Ａと第２の管状部材とが管状部分の端面で接合されるのであれば、上記で図１７および図１８に示された例と同様に溶接構造物を構成することが可能である。

続いて、本発明の実施例について説明する。図１９Ａおよび図１９Ｂは、本発明の実施例に係る試験装置を示す図である。図１９Ａに示されるように、試験では、両側を支持された梁８１の中央に被溶接材８２を溶接した試験体を用いた。この試験体は、例えば上記で図１から図３を参照して説明した鋼管を含む溶接構造物の溶接継手部分を、鋼管の周方向について所定の幅で切り出したものに相当する。梁８１と被溶接材８２と間の溶接継手部分から両側の支点までの距離がＬ１、溶接継手部分から繰り返し荷重の載荷点までの距離がＬ２として図示されている。繰り返し荷重の載荷によって梁８１には曲げモーメントが発生し、曲げモーメントによって溶接継手部分には引張応力または圧縮応力が発生する。図１９Ｂに示されるように、被溶接材８２の端面８２Ｅには斜角面は形成されておらず、被溶接材８２を梁８１に対して７８°の角度で（すなわち、直角から１２°傾けて）当接させた状態で溶接金属８３を用いて溶接することによって、梁８１と被溶接材８２とを非溶接領域で接触させた。

図２０は、本発明の実施例における試験結果を示すグラフである。図２０のグラフには、応力比（最小応力の最大応力に対する比）が−１（溶接継手部分に引張応力を発生させる荷重と圧縮応力を発生させる荷重とが同じ大きさで交互に載荷される）および０．１（溶接継手部分に引張応力を発生させる所定の荷重を載荷した状態とその１／１０の荷重を載荷した状態とが交互に繰り返される）の場合について、応力範囲（Ｎ／ｍｍ^２）と疲労寿命（疲労き裂によって試験体が構造物としての機能を失うまでの繰り返し回数）との関係が示されている（いずれも対数表示）。なお、矢印がつけられている結果は、疲労き裂が発生しないまま所定の繰り返し回数に到達したために試験が終了したケースである。

グラフに示されているように、本発明の実施例に係る試験結果では、いずれも、応力範囲と疲労寿命との関係について規定された日本鋼構造協会（ＪＳＳＣ：Japanese Society of Steel Construction）の疲労等級Ａに相当する。この疲労等級Ａは、一般に溶接継手部分ではなく鋼材自体の疲労強度の評価に用いられる（つまり、一般の溶接継手部分は、より低い疲労等級になる）ことから、本発明の実施形態に従って溶接継手部分が形成された溶接構造物では、溶接ルート部を起点とする疲労き裂の発生が効果的に抑制されているといえる。また、応力比を０．１とした場合にも疲労き裂の発生が抑制されたことから、例えば接触領域Ｒ３を接触方向に開口させるような外力が継続的に作用する場合でも、本発明によって疲労き裂の発生を効果的に抑制できるといえる。

また、上述したように、例えば溶接継手が鋼管の内周面に形成される場合、鋼管の径方向の熱収縮に加えて鋼管の周方向の熱収縮の影響を受ける。本実施例に係る試験装置では鋼管の周方向の熱収縮は考慮されていないが、実際の鋼管の内周面に形成される溶接継手では被溶接材８２が梁８１に対してより大きな力で当接させられ、より確実に非溶接領域での接触が実現される結果、疲労き裂の発生を抑制する効果はより高くなる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範囲内において、各種の変形例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１，１１，２１，２３，３１，４１，５１Ａ，５１Ｂ…鋼管、１Ｓ，１１Ｓ，２１Ｓ，２３Ｓ，３１Ｓ…内周面、２…ダイヤフラム、２Ｂ…斜角面、２Ｃ…曲面、２Ｅ…端面、２Ｇ，１２Ｇ…端縁、３…溶接金属、３Ｃ…溶接ルート部、１１Ｅ，２１Ｅ，２３Ｅ，３１Ｅ，４１Ｅ，５１１Ｅ，５１２Ｅ…端面、１２，４２…蓋体、２２…嵌合リング、１２Ｇ，２２Ｇ，３２Ｇ…端縁、１２Ｐ…段継ぎ面、１２Ｑ…立ち上がり面、２２Ｓ…外周面、４２Ｓ…板面、８１…梁、８２…被溶接材、８２Ｅ…端面、８３…溶接金属。

Claims (11)

1. 第１の管状部材、第２の部材、および前記第１の管状部材と前記第２の部材との間に充填または積層される溶接金属を含む溶接構造物であって、
   前記第１の管状部材と前記第２の部材との間に、前記溶接金属が充填または積層される溶接領域と、前記溶接金属が充填または積層されない非溶接領域とが形成され、
   前記非溶接領域に含まれる接触領域において、前記第１の管状部材と前記第２の部材とが接触することによって互いの間で応力が伝達される、溶接構造物。
2. 前記第１の管状部材または前記第２の部材の少なくともいずれかが、前記接触領域の近傍で弾性変形している、請求項１に記載の溶接構造物。
3. 前記第２の部材は、前記第１の管状部材の内周面または端面に向かって凸な形状を有し、
   前記接触領域では、前記第２の部材の前記凸な形状を有する部分と前記第１の管状部材とが接触する、請求項１または請求項２に記載の溶接構造物。
4. 前記凸な形状を有する部分は、前記第２の部材の前記第１の管状部材の内周面または端面に対向する面の少なくとも一部に形成される斜角面の端縁である、請求項３に記載の溶接構造物。
5. 前記第２の部材は前記第１の管状部材の内部空間を少なくとも部分的に閉塞する板状部材であり、
   前記溶接領域および前記非溶接領域は、前記第１の管状部材の内周面と前記第２の部材の端面との間に形成される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の溶接構造物。
6. 前記第２の部材は前記第１の管状部材の内部空間を少なくとも部分的に閉塞する板状部材であり、
   前記溶接領域および前記非溶接領域は、前記第１の管状部材の端部の内周面と前記第２の部材の周縁部に形成される段継ぎ面との間に形成される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の溶接構造物。
7. 前記溶接構造物は、第３の管状部材をさらに含み、
   前記第２の部材は、前記第１の管状部材と前記第３の管状部材とのそれぞれの内周面に当接され、
   前記溶接領域および前記非溶接領域は、前記第１の管状部材および前記第３の管状部材のそれぞれの内周面と前記第２の部材との間に形成される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の溶接構造物。
8. 前記第２の部材は、第２の管状部材であり、
   前記溶接領域および前記非溶接領域は、前記第１の管状部材の端部の内周面と前記第２の管状部材の外周面との間に形成される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の溶接構造物。
9. 前記第２の部材は、第２の管状部材であり、
   前記溶接領域および非溶接領域は、前記第１の管状部材の端面と前記第２の管状部材の端面との間に形成される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の溶接構造物。
10. 前記第１の管状部材の端面は、前記第２の部材の面に向かって凸な形状を有し、
    前記接触領域では、前記第１の管状部材の前記凸な形状を有する部分と前記第２の部材とが接触する、請求項１または請求項２に記載の溶接構造物。
11. 前記第１の管状部材または前記第２の部材の少なくともいずれかは、疲労耐久性の高い鋼材で形成される、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の溶接構造物。

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