JP2021091002A - 溶接構造部材および溶接構造部材の製造方法 - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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Δdmax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。
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
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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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JP2019224949A JP2021091002A (ja) | 2019-12-12 | 2019-12-12 | 溶接構造部材および溶接構造部材の製造方法 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2023119902A1 (ja) * | 2021-12-21 | 2023-06-29 | 株式会社小松製作所 | 溶接構造物および作業車両 |
-
2019
- 2019-12-12 JP JP2019224949A patent/JP2021091002A/ja active Pending
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