JP2021091002A - 溶接構造部材および溶接構造部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】疲労強度を簡単に向上させることができる溶接構造部材を提供する。【解決手段】溶接構造部材は、厚み方向に貫通する開先を有する板材と、前記開先を覆うように前記板材の裏面に設けられた裏当て材と、前記板材と前記裏当て材とを接合するように前記開先内に形成された溶接ビードとを備える。前記溶接ビードの長さ方向に直交する断面において、前記裏当て材は前記板材に向かって凸となるように弧状に湾曲し、かつ前記厚み方向における頂部において前記板材に接合されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、溶接構造部材および溶接構造部材の製造方法に関する。

建築物、橋梁、およびクレーン等の構造物においては、面内ガセット溶接継手および突き合わせ溶接継手等の種々の溶接構造部材が利用されている。このような構造物において、溶接構造部材に繰り返し応力が作用した場合に、溶接部において応力集中が生じたり、引張残留応力が生じたりすることが知られている。また、このような応力集中等が生じることにより、溶接部から疲労亀裂が発生する場合があることも知られている。

そこで、従来、溶接構造部材を補修するための技術が提案されている。例えば、特許文献１には、亀裂が生じた溶接継手を加工して、優れた疲労強度を有する溶接構造物を製造する方法が開示されている。

特許文献１に開示された製造方法では、溶接継手において亀裂が生じている第１部材の当該亀裂を含む部分に開先を形成する。その後、その開先を覆うように、当該第１部材の一方の面に裏当て金を隅肉溶接する。そして、第１部材の他方の面から開先を補修溶接する。これにより、亀裂が生じた溶接継手を補修することができる。

また、特許文献１に開示された製造方法では、開先を補修溶接した後、第１部材と裏当て金との接合部（隅肉溶接された部分）をピーニングする。これにより、第１部材と裏当て金との境界部分への応力集中を緩和することができるので、上記境界部分において疲労強度が低下することを防止することができる。

特開２０１７−２０５７９６号公報

上記のように、特許文献１に開示された方法によれば、第１部材と裏当て金との境界部分において疲労強度が低下することを防止できるので、補修溶接後に、裏当て金を除去しなくてもよい。これにより、溶接構造物の補修が簡単になる。また、裏当て金を補強部材として機能させることができるので、裏当て金を除去する場合に比べて、溶接構造物の疲労強度を高くすることができる。このため、特許文献１に開示された方法は、溶接継手の補修に好適に利用することができる。

一方で、施工現場の環境および溶接構造部材の形状等によっては、ピーニング処理を行うことが難しい場合がある。このため、さらに簡単に溶接構造部材の疲労強度を向上させることができる技術の開発が求められている。

そこで、本発明は、溶接構造部材の疲労強度を簡単に向上させることができる技術を提供することを目的としている。

本発明は、下記の溶接構造部材および溶接構造部材の製造方法を要旨とする。

（１）厚み方向に貫通する開先を有する板材と、前記開先を覆うように前記板材の裏面に設けられた裏当て材と、前記板材と前記裏当て材とを接合するように前記開先内に形成された溶接ビードとを備えた溶接構造部材であって、
前記溶接ビードの長さ方向に直交する断面において、前記裏当て材は前記板材に向かって凸となるように弧状に湾曲し、かつ前記厚み方向における頂部において前記板材に接合されている、溶接構造部材。

（２）前記板材は、１枚の金属板からなり、
前記開先は、前記金属板の縁部に形成されている、上記（１）に記載の溶接構造部材。

（３）前記板材は、それぞれ前記裏当て材上に配置された２枚の金属板を含み、
前記２枚の金属板の間に前記開先が形成されており、
前記溶接ビードによって前記２枚の金属板と前記裏当て材とが接合されている、上記（１）に記載の溶接構造部材。

（４）前記板材の裏面と前記溶接ビードの幅方向における前記裏当て材の両端との前記厚み方向における距離は、０．１ｍｍ以上である、上記（１）から（３）のいずれかに記載の溶接構造部材。

（５）前記板材の裏面と前記溶接ビードの幅方向における前記裏当て材の両端との前記厚み方向における距離は、前記裏当て材の厚み以下である、上記（１）から（４）のいずれかに記載の溶接構造部材。

（６） 前記頂部における前記裏当て材の曲率半径は、下記式（１）で規定された関係を満たす、上記（１）から（５）のいずれかに記載の溶接構造部材。
Ｒ≦（４００／９）×ｔ ・・・（１）
ただし、上記式において、Ｒは、前記裏当て材の前記曲率半径（ｍｍ）を示し、ｔは、前記裏当て材の厚み（ｍｍ）を示す。

（７）上記（１）から（６）のいずれかに記載された溶接構造部材を素材として用いて疲労強度が向上した溶接構造部材を製造する方法であって、
前記溶接ビードの幅方向における前記裏当て材の両端が前記板材の厚み方向において前記板材から離れるように前記裏当て材に力を加える負荷工程と、
前記負荷工程において前記裏当て材に加えられた力を除く除荷工程と、
を備える、溶接構造部材の製造方法。

本発明によれば、溶接構造部材の疲労強度を簡単に向上させることができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る溶接構造部材を示す概略図である。 図２は、溶接構造部材のうち溶接ビード近傍の部分を示す拡大図である。 図３は、本発明の実施形態に係る溶接構造部材の製造方法（疲労強度向上方法）を説明するための図である。 図４は、補修対象となる溶接継手を示す図である。 図５は、溶接継手の補修方法を説明するための図である。 図６は、溶接継手の補修方法を説明するための図である。 図７は、溶接継手の補修方法を説明するための図である。 図８は、本発明の第２実施形態に係る溶接構造部材を示す概略図である。 図９は、本発明の実施形態に係る溶接構造部材の製造方法（疲労強度向上方法）を説明するための図である。 図１０は、解析モデルを示す図である。 図１１は、解析モデルを示す図である。 図１２は、解析結果を示す図である。 図１３は、解析結果を示す図である。 図１４は、解析結果を示す図である。 図１５は、解析結果を示す図である。

本発明は、厚み方向に貫通する開先を有する板材と、上記開先を覆うように板材の裏面に設けられた裏当て材と、板材と裏当て材とを接合するように開先内に形成された溶接ビードとを備えた溶接構造部材に関する。また、本発明は、上記の構成を有する溶接構造部材を素材として用いて、疲労強度が向上した溶接構造部材を製造する方法に関する。さらに、本発明は、種々の溶接構造部材（溶接継手）を補修する際に利用することができる。以下、本発明の実施の形態に係る溶接構造部材および溶接構造部材の製造方法について詳細に説明する。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る溶接構造部材について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る溶接構造部材を示す概略図であり、（ａ）は溶接構造部材を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ部分を示す断面図である。

図１に示すように、溶接構造部材１０は、金属からなる板材１２と、金属からなる裏当て材１４と、溶接ビード（溶接金属）１６とを備えている。板材１２の縁部には、板材１２を厚み方向に貫通するように開先１２ａが形成されている。本実施形態では、板材１２は、縁部に開先１２ａが形成された１枚の金属板である。板材１２としては、例えば、厚みが４ｍｍ〜６０ｍｍの金属板が用いられる。

図２は、図１（ｂ）に示す溶接構造部材１０のうち溶接ビード１６近傍の部分を示す拡大断面図である。

図１および図２に示すように、裏当て材１４は、開先１２ａを覆うように板材１２の裏面１２ｂに設けられている。なお、本明細書では、板材において裏当て材が接合される面を裏面と呼ぶが、構造物において溶接構造部材を用いるに際して、構造物の表側（外側）に裏当て材が位置付けられるように、溶接構造部材を用いてもよい。

溶接ビード１６は、板材１２と裏当て材１４とを接合するように、開先１２ａ内に形成されている。溶接ビード１６は、例えば、ガス溶接、アーク溶接、電子ビーム溶接、またはレーザビーム溶接等の公知の方法によって形成できる。溶接ビードの形成方法については、後述する他の実施形態においても同様である。

図２に示すように、溶接ビード１６の長さ方向に直交する断面において、裏当て材１４は、板材１２に向かって凸となるように弧状に湾曲している。裏当て材１４は、板材１２の厚み方向における頂部１４ａにおいて、溶接ビード１６によって板材１２に接合されている。

裏当て材１４としては、例えば、厚みが１ｍｍ〜６０ｍｍの金属板が用いられる。本実施形態では、弧状に湾曲した金属板を金属管等から切り出して裏当て材１４として用いてもよく、平板状の金属板をプレス成形等によって弧状に湾曲させて裏当て材１４として用いてもよい。

溶接ビード１６の長さ方向に直交する断面において、板材１２の裏面１２ｂと溶接ビード１６の幅方向における裏当て材１４の両端１４ｂとの距離Ｚ（板材１２の厚み方向における距離）は、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。また、上記距離Ｚは、裏当て材１４の厚みｔ以下であることが好ましい。なお、本実施形態において裏当て材１４の両端１４ｂは、裏当て材１４の両面１４ｃ，１４ｄのうち板材１２側を向く面１４ｃにおける両端を意味する。以下においては、裏当て材１４の両面１４ｃ，１４ｄのうち面１４ｃを外面１４ｃと記載し、面１４ｄを内面１４ｄと記載する。内面１４ｄは、板材１２とは反対側を向く面である。

溶接ビード１６の長さ方向に直交する断面において、頂部１４ａにおける裏当て材１４の曲率半径は、下記式（１）で規定された関係を満たすことが好ましい。
Ｒ≦（４００／９）×ｔ ・・・（１）
ただし、上記式において、Ｒは、裏当て材１４の曲率半径（ｍｍ）を示し、ｔは、裏当て材１４の厚み（ｍｍ）を示す。

本実施形態においては、裏当て材１４の曲率半径とは、裏当て材１４の外面１４ｃの曲率半径を意味する。なお、図２においては、溶接構造部材１０を簡略化して示しているが、実際には、裏当て材１４の頂部１４ａには溶接ビード１６が溶け込んでおり、頂部１４ａにおいて外面１４ｃの曲率半径を測定することは困難である。このため、本実施形態では、頂部１４ａにおいて裏当て材１４の内面１４ｄの曲率半径を測定し、測定された曲率半径と裏当て材１４の厚みｔとに基づいて算出される外面１４ｃの曲率半径を、頂部１４ａにおける外面１４ｃの曲率半径とする。なお、内面１４ｄの曲率半径は、公知のレーザー変位計を用いて算出することができる。

なお、裏当て材１４は、円弧状に湾曲していてもよく、楕円弧状に湾曲していてもよい。すなわち、裏当て材１４は、一定の曲率半径を有していてもよく、位置によって異なる曲率半径を有していてもよい。

（疲労強度向上方法）
溶接構造部材１０では、溶接ビード１６のルート部１６ａ（図２参照）の近傍には、溶接時の膨張および溶接後の収縮によって、引張の残留応力が発生しているおそれがある。このため、溶接構造部材１０をそのまま利用すると、溶接構造部材１０に繰り返し応力が作用した際に、ルート部１６ａの近傍において応力集中が生じ、疲労亀裂が生じるおそれがある。

そこで、本実施形態では、溶接構造部材１０の疲労強度を向上させるために、溶接構造部材１０に対して以下に説明する方法を実施する。なお、以下に説明する方法は、溶接構造部材１０の疲労強度を向上させる方法であるが、溶接構造部材１０を素材として用いて、疲労強度が向上した溶接構造部材を製造する方法ということもできる。

図３は、溶接構造部材の疲労強度を向上させる方法を説明するための図である。なお、図３には、溶接構造部材１０の正面図（溶接ビード１６の長さ方向から見た図）が示されている。

本実施形態においては、下記の負荷工程および除荷工程を順に実施することによって、溶接構造部材１０の疲労強度を向上することができる。

（負荷工程）
図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、負荷工程では、溶接ビード１６の幅方向における裏当て材１４の両端１４ｂが、板材１２の厚み方向において板材１２から離れるように、裏当て材１４に力Ｆを加える。これにより、ルート部１６ａの近傍の部分が裏当て材１４側に引っ張られる。本実施形態では、図３（ｂ）に示すように、裏当て材１４において端１４ｂとルート部１６ａとの間の部分は、ルート部１６ａを中心として回転するように板材１２から離れる。これにより、ルート部１６ａの近傍の部分には、溶接ビード１６の幅方向に平行な方向において引張の力が与えられる。その結果、ルート部１６ａの近傍の部分に引張塑性ひずみが生じる。

上記のように、本実施形態では、溶接ビード１６のルート部１６ａの近傍の部分を塑性変形させるように、裏当て材１４に力を加える。なお、溶接ビード１６のルート部１６ａには、板材１２側のルート部と、裏当て材１４側のルート部とが含まれる。負荷工程においては、特に、板材１２側のルート部の近傍の部分に塑性変形を生じさせることが好ましい。

裏当て材１４に対する荷重の負荷方法は特に限定されないが、例えば、爪付きジャッキを用いる場合には、爪部を板材１２と裏当て材１４との間に差し込んで、板材１２と端１４ｂとが互いに離れるように、爪部によって板材１２と裏当て材１４とに力を加えてもよい。詳細な説明は省略するが、例えば、板材１２と裏当て材１４との間に楔を打ち込むことによって裏当て材１４に力を加えてもよく、バール等の工具を用いて裏当て材１４の端１４ｂが板材１２から離れるように裏当て材１４を引っ張ってもよい。

なお、本実施形態では、上述したように、板材１２の裏面１２ｂと裏当て材１４の両端１４ｂとの距離Ｚ（図２参照）は、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。この場合、上述の爪部、楔およびバール等の工具を第１板材１２と裏当て材１４との間に差し込みやすくなるので、負荷工程を効率よく実施することができる。

（除荷工程）
除荷工程では、負荷工程において裏当て材１４に加えていた力を除く。この際、裏当て材１４は、負荷工程前の形状に戻るように変形する。これにより、溶接構造部材１０のうちルート部１６ａの近傍の部分が、裏当て材１４によって板材１２側に押し付けられる。すなわち、スプリングバックの効果が生じる。この結果、ルート部１６ａの近傍の部分に、溶接ビード１６の幅方向に平行な方向において圧縮の力を加えることができる。これにより、ルート部１６ａの近傍の部分の引張残留応力を低減できる、またはルート部１６ａの近傍の部分に圧縮残留応力を発生させることができる。このようにして、溶接構造部材１０の疲労強度を向上させることができる。

このため、例えば、上記の方法が実施された溶接構造部材１０では、荷重が繰り返し加えられた場合でも、ルート部１６ａの近傍において大きな引張応力が発生することを防止することができる。その結果、ルート部１６ａの近傍において疲労亀裂が発生することを抑制することができる。また、ルート部１６ａの近傍に疲労亀裂が既に発生している場合には、その亀裂先端の引張残留応力を低減できる、または亀裂先端に圧縮残留応力を発生させることができるので、疲労亀裂が進展することを抑制することができる。

なお、本実施形態では、上述のように、負荷工程においてルート部１６ａの近傍を塑性変形させている。そのため、裏当て材１４は、負荷工程前の形状に完全には戻らない。すなわち、負荷工程および除荷工程を実施した後の溶接構造部材１０の形状は、負荷工程前の溶接構造部材１０と同一ではない。

（本実施形態の効果）
以上のように、本実施形態では、裏当て材１４に力を加えることによって、溶接構造部材１０の疲労強度を簡単に向上させることができる。また、本実施形態では、裏当て材１４が弧状に湾曲しかつ頂部１４ａにおいて板材１２に接合されている。この場合、裏当て材１４の両端１４ｂが板材１２から離れるように裏当て材１４に力を加えることによって、ルート部１６ａの近傍を、溶接ビード１６の幅方向に平行な方向に効率的に引っ張ることができる。これにより、負荷工程においてルート部１６ａ近傍を効率的に変形させることができるので、スプリングバックの効果を効率よく生じさせることができる。

なお、頂部１４ａにおける裏当て材１４の曲率半径が上記式（１）で規定された関係を満たしている場合には、ルート部１６ａの近傍をさらに効率よく引っ張ることができる。また、裏当て材１４の両端１４ｂと板材１２との距離Ｚを裏当て材１４の厚み以下にすることによって、板材１２および裏当て材１４の位置調整ならびに板材１２と裏当て材１４との仮付け溶接が容易になる。これにより、板材１２と裏当て材１４との接合が容易になる。また、溶接構造部材１０を小型に構成することができる。

なお、図３では、溶接ビード１６の幅方向における裏当て材１４の一方側および他方側に対して同時に負荷工程および除荷工程を実施する場合について説明したが、裏当て材１４の一方側に対して負荷工程および除荷工程を実施した後に、裏当て材１４の他方側に対して負荷工程および除荷工程を実施してもよい。

また、図３では、裏当て材１４が変形し、板材１２は変形していないが、板材１２が変形してもよい。具体的には、負荷工程においては、裏当て材１４の両端１４ｂが板材１２の厚み方向において板材１２から離れるように裏当て材１４に力が加えられていれば、板材１２および裏当て材１４のいずれが変形してもよい。

（本実施形態の利用例）
上述の疲労強度向上方法は、溶接継手を補修する際にも利用できる。例えば、図４に示すように、２枚の金属板２０ａ，２０ｂが突き合わせ溶接された構成を有する溶接継手２０において、金属板２０ａに亀裂２２が生じたとする。この場合、まず、図４および図５に示すように、金属板２０ａにおいて亀裂２２が生じている部分を取り除くことによって、金属板２０ａに開先２４を形成する。なお、開先２４の形成方法は、上述の特許文献１に開示された方法と同様であるので、詳細な説明は省略する。

次に、図６に示すように、開先２４を覆うように金属板２０ａの裏面側に裏当て材２６を配置するとともに、開先２４内に溶接ビード（溶接金属）２８を形成することによって、金属板２０ａを裏当て材２６に接合する。なお、裏当て材２６は、上述の裏当て材１４と同様に、弧状に湾曲した形状を有している。

次に、図７に示すように、裏当て材２６および溶接ビード２８のうち、金属板２０ａから金属板２０ｂ側に突出している部分を除去する。これにより、溶接継手２０の補修が完了する。なお、裏当て材２６および溶接ビード２８を上記のように除去しなくてもよいが、裏当て材２６と溶接ビード２８との境界部において応力集中が生じることを抑制するためには、裏当て材２６および溶接ビード２８のうち、金属板２０ａから金属板２０ｂ側に突出した部分を除去することが好ましい。

その後、補修が完了した溶接継手２０を素材として、上述の実施形態で説明したように、負荷工程および除荷工程を実施する。具体的には、裏当て材２６の両端２６ａ（図７においては一方の端２６ａのみ図示）が金属板２０ａから離れるように、裏当て材２６に力を加えた後、その力を除荷する。これにより、補修された溶接継手２０の疲労強度を向上させることができる。

（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態に係る溶接構造部材について説明する。図８は、本発明の第２実施形態に係る溶接構造部材を示す概略図であり、（ａ）は溶接構造部材を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ部分を示す断面図である。

図８に示すように、溶接構造部材３０は、板材３２と、金属からなる裏当て材３４と、溶接ビード（溶接金属）３６とを備えている。なお、裏当て材３４は、寸法が異なる点を除いて上述の裏当て材１４と同様の構成を有しているので、以下においては、裏当て材３４については簡単に説明する。

本実施形態では、板材３２は、裏当て材３４上に配置された２枚の金属板３２ａ，３２ｂを含む。金属板３２ａ，３２ｂとしては、例えば、厚みが４ｍｍ〜６０ｍｍの金属板が用いられ、裏当て材３４としては、例えば、厚みが１ｍｍ〜６０ｍｍの金属板が用いられる。

裏当て材３４上において金属板３２ａと金属板３２ｂとの間に、開先３３が形成されている。溶接ビード３６は、金属板３２ａ、金属板３２ｂおよび裏当て材３４を互いに接合するように、開先３３内に形成されている。本実施形態に係る溶接構造部材３０は、金属板３２ａと金属板３２ｂとが突き合わせ溶接された溶接継手である。

第１実施形態と同様に、本実施形態においても、裏当て材３４は、板材３２の厚み方向における頂部３４ａにおいて、板材３２に接合されている。また、第１実施形態と同様に、板材３２の裏面と裏当て材３４の両端３４ｂとの距離は、０．１ｍｍ以上であることが好ましく、裏当て材３４の厚み以下であることが好ましい。

また、第１実施形態と同様に、溶接ビード３６の長さ方向に直交する断面において、頂部３４ａにおける裏当て材３４の曲率半径は、下記式（１）で規定された関係を満たすことが好ましい。
Ｒ≦（４００／９）×ｔ ・・・（１）
ただし、上記式において、Ｒは、裏当て材３４の曲率半径（ｍｍ）を示し、ｔは、裏当て材３４の厚み（ｍｍ）を示す。

（疲労強度向上方法）
上述の溶接構造部材１０と同様に、溶接構造部材３０においても、溶接ビード３６のルート部３６ａ，３６ｂ（図８（ｂ）参照）の近傍には、溶接時の膨張および溶接後の収縮によって、引張の残留応力が発生しているおそれがある。このため、溶接構造部材３０をそのまま利用すると、溶接構造部材３０に繰り返し応力が作用した際に、ルート部３６ａ，３６ｂの近傍において応力集中が生じ、疲労亀裂が生じるおそれがある。

そこで、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、溶接構造部材３０に対して負荷工程および除荷工程を実施する。以下、図９を用いて負荷工程および除荷工程を簡単に説明する。なお、図９には、溶接構造部材３０の正面図（溶接ビード３６の長さ方向から見た図）が示されている。

（負荷工程）
図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、負荷工程では、裏当て材３４の両端３４ｂが、板材３２の厚み方向において板材３２から離れるように、裏当て材３４に力Ｆを加える。これにより、ルート部３６ａ，３６ｂの近傍の部分が裏当て材３４側に引っ張られる。本実施形態では、裏当て材３４において一方の端３４ｂとルート部３６ａとの間の部分は、ルート部３６ａを中心として回転するように金属板３２ａから離れる。また、裏当て材３４において他方の端３４ｂとルート部３６ｂとの間の部分は、ルート部３６ｂを中心として回転するように金属板３２ｂから離れる。これにより、ルート部３６ａ，３６ｂの近傍の部分には、溶接ビード３６の幅方向に平行な方向において引張の力が与えられる。その結果、ルート部３６ａ，３６の近傍の部分に引張塑性ひずみが生じる。

上記のように、本実施形態では、溶接ビード３６のルート部３６ａ，３６ｂ（図９（ｂ）参照）の近傍の部分を塑性変形させるように、裏当て材３４に力を加える。なお、溶接ビード３６のルート部３６ａには、金属板３２ａ側のルート部と、裏当て材３４側のルート部とが含まれる。同様に、溶接ビード３６のルート部３６ｂには、金属板３２ｂ側のルート部と、裏当て材３４側のルート部とが含まれる。負荷工程においては、特に、金属板３２ａ側のルート部の近傍の部分および金属板３２ｂ側のルート部の近傍の部分に塑性変形を生じさせることが好ましい。

裏当て材３４に対する荷重の負荷方法は特に限定されないが、例えば、上述の第１実施形態における裏当て材１４に対する負荷方法と同様の方法で荷重を負荷することができる。

（除荷工程）
除荷工程では、負荷工程において裏当て材３４に加えていた力を除く。この際、裏当て材３４は、負荷工程前の形状に戻るように変形する。これにより、裏当て材３４によって、ルート部３６ａの近傍の部分が金属板３２ａ側に押し付けられ、ルート部３６ｂの近傍の部分が金属板３２ｂ側に押し付けられる。すなわち、スプリングバックの効果が生じる。この結果、ルート部３６ａ，３６ｂの近傍の部分に、溶接ビード３６の幅方向に平行な方向において圧縮の力を加えることができる。このようにして、溶接構造部材３０の疲労強度を向上させることができる。

なお、本実施形態では、上述のように、負荷工程においてルート部３６ａ,３６ｂの近傍を塑性変形させている。そのため、裏当て材３４は、負荷工程前の形状に完全には戻らない。すなわち、負荷工程および除荷工程を実施した後の溶接構造部材３０の形状は、負荷工程前の溶接構造部材３０と同一ではない。

（本実施形態の効果）
以上のように、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、裏当て材３４に力を加えることによって、溶接構造部材３０の疲労強度を簡単に向上させることができる。また、本実施形態においても、裏当て材３４が弧状に湾曲しかつ頂部３４ａにおいて板材３２に接合されている。これにより、第１実施形態と同様に、負荷工程においてルート部３６ａ，３６ｂ近傍を効率的に変形させることができるので、スプリングバックの効果を効率よく生じさせることができる。

なお、図９では、溶接ビード３６の幅方向における裏当て材３４の一方側および他方側に対して同時に負荷工程および除荷工程を実施する場合について説明したが、裏当て材３４の一方側に対して負荷工程および除荷工程を実施した後に、裏当て材３４の他方側に対して負荷工程および除荷工程を実施してもよい。また、図９では、裏当て材３４が変形し、板材３２は変形していないが、板材３２が変形してもよい。

（シミュレーションに基づく検討）
以下、有限要素法を用いたシミュレーション結果とともに、本発明の効果を説明する。本発明者らは、図１０に示すように、上述の溶接構造部材３０の１／２の解析モデル（以下、解析モデル３０と記載する。）を作成して、ＦＥＭ解析を行った。なお、説明を簡便にするために、解析モデル３０の各構成要素には、上述の溶接構造部材３０の対応する構成要素と同一の名称および符号を付している。図１０において、（ａ）は解析モデルを示す図であり、（ｂ）は解析モデルにおいてルート部３６ａに相当する部分の拡大図である。また、比較のために、図１１に示すように、裏当て材３４が平板形状である点を除いて解析モデル３０と同様の構成を有する解析モデル３０ａを作成した。なお、図１０に示す解析モデル３０では、裏当て材３４は円弧形状を有している。裏当て材３４の曲率半径Ｒは、４０ｍｍ、６０ｍｍ、１００ｍｍ、２００ｍｍ、４００ｍｍ、および８００ｍｍに設定した。

解析モデル３０，３０ａは、４節点の２次元平面ひずみ要素を用いて作成した。ＦＥＭ解析では、板材３２、裏当て材３４および溶接ビード３６の材料として、ＳＭ４９０Ｂ（ＪＩＳ Ｇ３１０６ ２０１５）を用いたと仮定し、その応力−ひずみ線図を用いた。具体的には、降伏応力を４５２ＭＰａ、ヤング率を２０６ＧＰａ、ポアソン比を０．３にそれぞれ設定し、等方硬化則に従ってＦＥＭ解析を行った。

ＦＥＭ解析では、負荷工程および除荷工程を実施し、溶接ビード３６のルート部３６ａ（より具体的には、図１０（ｂ）に示す位置Ａ）に生じる溶接ビード３６の幅方向に平行な方向の応力を算出した。負荷工程では、金属板３２ａと裏当て材３４の端３４ｂとの隙間を拡げる方向の荷重を、金属板３２ａおよび裏当て材３４に与えた。より具体的には、図１０に示す解析モデル３０では、裏当て材３４の外面３４ｃのうち端３４ｂから４ｍｍの範囲、および金属板３２ａの裏面３２ｃのうち上記４ｍｍの範囲に対向する部分に荷重を均一に作用させた。図１１に示す解析モデル３０ａにおいては、裏当て材３４の外面３４ｃのうち端３４ｂから２ｍｍの範囲、および金属板３２ａの裏面３２ｃのうち上記２ｍｍの範囲に対向する部分に荷重を均一に作用させた。

本発明者らは、まず、図１１に示す解析モデル３０ａを用いて、上述の疲労強度向上方法（負荷工程および除荷工程）の効果を確認した。図１２に、負荷工程および除荷工程において解析モデル３０ａに与えられる荷重（負荷荷重）とルート部３６ａに生じる応力との関係を示す。なお、図１２以降の各図において、ルート部３６ａに生じる応力が正の値の場合は、ルート部３６ａに引張応力が発生していることを示し、負の値の場合は、ルート部３６ａに圧縮応力が発生していることを示す。

図１２に示した結果から分かるように、負荷工程において負荷荷重が増加することにより、ルート部３６ａに引張応力が生じる。負荷荷重がさらに増加し、ルート部３６ａ近傍が塑性変形し始めると、引張応力の増加量は減少する。その後、除荷工程において、負荷荷重が減少するのに従ってルート部３６ａの引張応力も減少する。負荷荷重がさらに減少することによって、ルート部３６ａには圧縮応力が生じる。

上記の解析結果から、負荷工程および除荷工程を実行することにより、ルート部３６ａに、圧縮方向の力を加えることができることが分かった。

次に、本発明者らは、解析モデル３０，３０ａを用いて、裏当て材３４の形状が上述の疲労強度向上方法の効果に与える影響を確認した。なお、図１０に示す解析モデル３０において、裏当て材３４の曲率半径Ｒは２００ｍｍとした。図１３に、負荷工程において最大荷重が負荷されたときの金属板３２ａおよび裏当て材３４の端３４ｂの隙間の拡張量Δｄ_ｍａｘと除荷工程後にルート部３６ａに生じた応力との関係を示す。なお、金属板３２ａおよび裏当て材３４の端３４ｂの隙間の長さは、金属板３２ａと端３４ｂとの距離で表され、拡張量Δｄは、その時点における金属板３２ａと端３４ｂとの距離から、負荷工程前の金属板３２ａと端３４ｂとの距離を減算することによって算出される。

図１３に示した結果から、弧状の裏当て材３４を用いた場合でも、負荷工程および除荷工程を実施することによって、ルート部３６ａに圧縮方向の力を加えることができることが分かった。また、弧状の裏当て材３４の方が平板状の裏当て材３４よりも、ルート部３６ａに大きな圧縮残留応力を生じさせることができることが分かった。これは、裏当て材３４を弧状にすることによって、効率的にルート部３６ａに変形が集中したためだと考えられる。

次に、本発明者らは、解析モデル３０を用いて、裏当て材３４の曲率半径Ｒの大きさが上述の疲労強度向上方法の効果に与える影響を確認した。具体的には、裏当て材３４の曲率半径Ｒの大きさを変えて解析を行い、スプリングバック量（最大荷重時の金属板３２ａと端３４ｂとの距離−除荷工程後の金属板３２ａと端３４ｂとの距離）と除荷工程後にルート部３６ａに生じる応力との関係を調査した。解析結果を図１４に示す。

図１４に示すように、裏当て材３４の曲率半径Ｒの大きさによって、ルート部３６ａに生じる圧縮残留応力の値が変化した。そこで、本発明者らは、より詳細な検討を行うために、スプリングバック量が０．３ｍｍとなる条件で負荷工程を実施した場合にルート部３６ａに生じる残留応力を、図１４に示したデータを用いて最小二乗法により算出した。算出した結果を図１５に示す。

図１５に示す結果から、裏当て材３４の曲率半径が大きくなるほど、ルート部３６ａに生じる圧縮残留応力が減少することが分かった。また、図１５に示した結果から、裏当て材３４の曲率半径を４００ｍｍ以下に設定することが好ましいことが分かる。なお、解析モデル３０において裏当て材３４の厚みが９ｍｍであることを考慮すると、裏当て材の曲率半径は、下記式（１）を満たすことが好ましいといえる。
Ｒ≦（４００／９）×ｔ ・・・（１）
上記式において、Ｒは、裏当て材の曲率半径（ｍｍ）を示し、ｔは、裏当て材の厚み（ｍｍ）を示す。

なお、第１実施形態に係る溶接構造部材１０においても、裏当て材は弧状であり、板材と裏当て材との接合部の構成は溶接構造部材３０と同様である。したがって、第１実施形態に係る溶接構造部材１０についても、上述の溶接構造部材３０についての解析と同様の結果が得られると考えられる。

本発明によれば、溶接構造部材の疲労強度を簡単に向上させることができる。したがって、本発明は、溶接構造部材の製造に加えて、溶接構造部材（溶接継手等）の疲労強度向上および補修にも好適に利用できる。

１０，３０ 溶接構造部材
１２，３２ 板材
１２ａ，３３ 開先
１４，３４ 裏当て材
１６，３６ 溶接ビード
１６ａ，３６ａ，３６ｂ ルート部
３２ａ，３２ｂ 金属板

Claims (7)

1. 厚み方向に貫通する開先を有する板材と、前記開先を覆うように前記板材の裏面に設けられた裏当て材と、前記板材と前記裏当て材とを接合するように前記開先内に形成された溶接ビードとを備えた溶接構造部材であって、
   前記溶接ビードの長さ方向に直交する断面において、前記裏当て材は前記板材に向かって凸となるように弧状に湾曲し、かつ前記厚み方向における頂部において前記板材に接合されている、溶接構造部材。
2. 前記板材は、１枚の金属板からなり、
   前記開先は、前記金属板の縁部に形成されている、請求項１に記載の溶接構造部材。
3. 前記板材は、それぞれ前記裏当て材上に配置された２枚の金属板を含み、
   前記２枚の金属板の間に前記開先が形成されており、
   前記溶接ビードによって前記２枚の金属板と前記裏当て材とが接合されている、請求項１に記載の溶接構造部材。
4. 前記板材の裏面と前記溶接ビードの幅方向における前記裏当て材の両端との前記厚み方向における距離は、０．１ｍｍ以上である、請求項１から３のいずれかに記載の溶接構造部材。
5. 前記板材の裏面と前記溶接ビードの幅方向における前記裏当て材の両端との前記厚み方向における距離は、前記裏当て材の厚み以下である、請求項１から４のいずれかに記載の溶接構造部材。
6. 前記頂部における前記裏当て材の曲率半径は、下記式（１）で規定された関係を満たす、請求項１から５のいずれかに記載の溶接構造部材。
   Ｒ≦（４００／９）×ｔ ・・・（１）
   ただし、上記式において、Ｒは、前記裏当て材の前記曲率半径（ｍｍ）を示し、ｔは、前記裏当て材の厚み（ｍｍ）を示す。
7. 請求項１から６のいずれかに記載された溶接構造部材を素材として用いて疲労強度が向上した溶接構造部材を製造する方法であって、
   前記溶接ビードの幅方向における前記裏当て材の両端が前記板材の厚み方向において前記板材から離れるように前記裏当て材に力を加える負荷工程と、
   前記負荷工程において前記裏当て材に加えられた力を除く除荷工程と、
   を備える、溶接構造部材の製造方法。
   
   

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