JP4176594B2 - 閉ループ型せん断補強筋の突き合せ溶接方法及び溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばコンクリート柱、梁など構造物の鉄筋に使用されるせん断補強筋のフープ筋のように線材をループ状に成形した後、その両端を溶接して閉ループを形成させる線材の突き合せ溶接方法及び装置に関するものである。

コンクリート柱、梁などのコンクリート構造物の鉄筋には、主筋を取り囲むせん断補強用の補助筋として閉ループを形成させたフープ筋が用いられる。このフープ筋の製造には、例えば線材を所定の長さに切断して矩形などの所定形状に成形した後、線材を電極で把持してその両切断端を加圧・通電して突き合せ溶接する方法が多く採られている。

従来の突き合せ溶接は、線材の切断部を把持した電極に溶接電流を付加して溶接部を加熱し、電極に圧力を掛けて電極間距離を縮めて一度に線材をアプセットして溶接された。しかしながら、従来の突き合せ溶接では、高強度の熱処理線材を使用して溶接すると、溶接部が軟化して強度が低下し、規定以下の応力で溶接部から破断するという問題点があった。

このために現在市販されているせん断補強筋は、高合金鋼を使用して溶接部の軟化を低減し、かつ規格値より強度の高い母材を使用して、溶接部の強度が低下しても、なおせん断補強筋の強度が規格値内に入るようにして解決しようとしている。しかしながら、この方法では不要に強度の高い高合金の材料を使用することによりコストが増し、溶接部強度も規格値ぎりぎりで破断部が溶接部近辺に集中するという問題点がある。

また、前記従来の一度にアプセットして突き合せ溶接する方法では、十分な溶接をするためには溶接接合部のバリの外径が大きくなりバリの外周に亀裂が生ずるという問題点があった。

これに対し発明者らは、先に溶接部の直近に線材の径より大きい膨大部を形成させて強度を増し、溶接部で切断しない閉ループせん断補強筋を開示した（特許文献１、２）。
特開平７−１０８３８２ 特開平１１−１５１５７８

本発明は、上記問題点を解決し、溶接接合部のバリの外周に亀裂がなくかつ外径が小さく、母材に対して溶接部の強度と伸び値の低下がなく、破断の際に母材部分で切断する溶接ができる閉ループ型せん断補強筋の突き合せ溶接方法と装置を提供することを目的とする。

上記問題点を解決するために、本発明の溶接方法は、所定長さに切断した線材をループ状に成形しその両切断端を突き合せ溶接して閉ループ型せん断補強筋を形成させる溶接方法において、
１．線材の溶接部両側を所定間隔をおいて電極で把持し、２．該電極間を低圧力で加圧しながら、３．該電極に溶接電力を付加して溶接部を溶接温度に加熱し、４．該電極に所定の押し込み量を与えながらアプセット溶接した後、５．電極の電力と加圧力を遮断して、６．溶接により形成された溶接接合部の温度を５００℃以下まで低下させ、７．再度電極間に電力を付加して前記溶接接合部の両側を５００〜７００℃まで加熱し、８．再び電極間を高圧力で加圧して所定量のアプセットをする、２段加熱法により前記溶接接合部に強度増大部を形成させることを特徴とするものである。

そして本発明の溶接装置は、線材の溶接部両側を把持または解放し線材に沿って所定区間移動駆動される電極と、該電極間に溶接電流を付加して線材を加熱する電源と、該電極間に圧力を付加して線材をアプセットする加圧手段とを備え、前記電源と前記電極の移動駆動と前記加圧手段の加圧とを上記第１発明の方法を達成するように制御する制御手段を備えたことを特徴とするものである。

すなわち、本発明の溶接方法と装置は、従来のように一度にアプセット溶接して完了するのでなく、溶接後に溶接接合部を冷却し、溶接接合部の温度を５００℃以下まで低下させた後、再度溶接接合部の両側を通電加熱して溶接温度より低い温度に加熱して強加圧して所定量のアプセットを行い、溶接接合部に強度増大部を形成させる２段加熱を行うことに特徴がある。

このように、アプセット溶接と溶接後のアプセットとを２段に別けて行うことにより、溶接接合部のバリの外径の増加を押さえることができてその外径が小さくなり、バリの外周の亀裂を防止することができる。また、溶接後に溶接部の温度を５００℃以下まで低下させることにより溶接溶融組織を拡散させ、溶接後の５００〜７００℃の低温の再度のアプセット加工により溶接接合部の両側の部分に加工熱処理の効果が与えられる。これにより溶接熱影響部の強度と伸びが回復される。このようにして、溶接接合部に強度増大部が形成されて溶接部の強度が増し、破断時に溶接部でなく母材部で破断するせん断補強筋を得ることができる。

ここで溶接接合部とは、線材の径をｄとすると溶接の接点から両側に各１ｄの距離のバリを含む範囲をいう。
なお、溶接アプセットと溶接後のアプセットは、電極を掴み換えて線材を把持する位置を変えても良く、あるいは当初の把持する電極間隔を大きくして掴み換えないで２段のアプセットをしても良い。

前記溶接後の溶接接合部の冷却の際に、溶接接合部のバリの外周を加圧成形するダイスを備えたプレスにより成形して冷却することにより、バリ外周の亀裂を防ぎ滑らかな外周を有するバリを得ることができる。

本発明の閉ループ型せん断補強筋とその突き合せ溶接方法及び装置によれば、溶接接合部のバリの外周に亀裂がなくその径が小さく、強度と伸びが母材とほぼ等しい溶接部強度を有する突き合せ溶接ができる。そして、安価な低合金鋼をも使用することもできてコストが低減でき、鉄筋の軽量化ができるとともにコンクリート強度と安全性を増すことができる。

以下、本発明を図示の最良の一実施形態について実施例により具体的に説明する。図１は本発明の閉ループ型せん断補強筋の突き合せ溶接装置の正面図、図２はその上面図、図３は加圧手段１０の構成を示すブロック図、図４は制御手段のブロック図である。

これらの図において、フレーム１の上に移動電極２と固定電極２´が向かい合わせて配設され、移動電極２が電極移動シリンダ３により軸方向に移動駆動される。そして、電極の移動量が位置検出エンコーダ７により検出された検出値によりアプセット量が制御される。また電極２、２´はそれぞれのグリップ２ａ，２ｂと２ａ´，２ｂ´に分割され、一方のグリップ２ａ，２ａ´が電極開閉シリンダ４ａ，４ｂにより軸と直角方向に移動駆動され、他方のグリップ２ｂ，２ｂ´がフレームに固定されて、閉ループ型に成形されたせん断補強筋の線材（以下ワークという）Ｗを把持するようになっている。そして、電極２、２´に電力調整器３１を介して電源トランス３０から設定された電力が付加されるようになっている。
また、固定電極２´の近傍にダイスプレス６が配設されている。ダイスプレス６は、溶接接合部のバリの外径に相当する半円の型面を有する一組のダイス５ａ，５ｂがワークの両側に配設され、それぞれプレスシリンダ６ａ，６ｂにより同期駆動されて、溶接により形成された溶接接合部のバリの外周を成形・冷却するようになっている。なお、ダイスプレスのダイスは冷却効果があるだけでも良いが、溶接接合部のバリの外周を熱間圧縮成形するだけの圧力があることが望ましい。

図３において、電極移動シリンダ３は流量制御切換弁１３ａ、圧力制御弁１２を介して油圧ポンプ１１により駆動される。電極開閉シリンダ４ａ，４ｂはそれぞれ切換弁１３ｂ，１３ｃを介して同じく油圧ポンプ１１により駆動される。プレスシリンダ６ａ，６ｂは切換弁１３ｄを介して同じく油圧ポンプ１１により駆動される。それぞれの切換弁１３の戻り油はタンク１４に返されるようになっている。

制御手段２０の構成を図４のブロック図に示す。図の実線は制御系統を示し、鎖線は電力、油圧の導入経路を示す。以下、図１〜４を用いて動作について説明する。ＣＰＵ２１の制御により、電力調整器３１を介して高周波電源３０の電力が制御され、所定の電力が電極２、２´に供給される。また、ＣＰＵ２１により油圧ポンプ１１、圧力制御弁１２が制御されて設定圧力が切換弁１３ａに供給され、電極移動シリンダ３を駆動して電極２を設定された圧力で電極２´に近接あるいは隔離するように駆動される。また、油圧ポンプ１１の圧力は切換弁１３ｂ，１３ｃ，に供給され、電極開閉シリンダ４ａ，４ｂが駆動されて電極２、２´がワークを把持あるいは解放するように駆動される。また、油圧は切換弁１３ｄに供給され、プレスシリンダ６ａ，６ｂが駆動されてダイス５ａ，５ｂが溶接接合部のバリの外周を成形するように作動する。制御手段２０の動作の詳細は以下の実施例において説明する。

上記の本発明溶接装置を用いて、線径１３．１ｍｍφの引張り強さ１０００Ｎ／ｍｍ² の誘導加熱熱処理による熱処理鋼線を使用し、本発明の実施例と従来溶接法の比較例により突き合せ溶接を行って閉ループ型せん断補強筋を製造した結果について説明する。

図５は本発明実施例の閉ループ型せん断補強筋の突き合せ溶接方法のパターンを示す図、図６は図５に記載の記号に示す時期に形成される溶接部の形状を示す図である。図中実線は電極間に付加する電流値、鎖線は電極間に加える加圧力、破線は電極間の距離の変化を示す。なお、電極位置の検出とアプセット量の設定は前記位置検出エンコーダ７により行われ、加圧圧力は圧力制御弁１２により制御される。

図７は本発明の溶接工程のフローチャートである。図７に基づいて前記図５のパターンの溶接工程について説明する。下記の記号数字は図１〜４の突き合せ溶接装置の要素の記号を示す。まず両側の電極を間隔４０ｍｍに設定した待機位置におき（ＳＴＥＰ１）、ワークＷを溶接装置にセットして（ＳＴＥＰ２）、電極開閉シリンダ４ａ，４ｂにより電極２、２´を閉じてワークＷを把持する（ＳＴＥＰ３）。図５に示すように、電極移動シリンダ３により電極間に１０ｋＮの低圧力を掛けて第１加圧し（ＳＴＥＰ４）、電極２、２´に溶接電流９ｋＡを約２秒間付加してワークを溶接温度に加熱し（ＳＴＥＰ５）、電極間が２５ｍｍになるまでアプセットして溶接する（ＳＴＥＰ６）。このときのアプセット量は約１５ｍｍになる。

ここで第１加圧を解放して（ＳＴＥＰ７）、溶接を終了する。溶接が完了すると、ダイスプレス６を作動させてダイス５により溶接により形成された溶接接合部のバリの外周を加圧成形し（ＳＴＥＰ８）、５００℃以下まで冷却する（ＳＴＥＰ９）。

制御手段２０には、溶接後に溶接接合部の温度が５００℃以下に下がる時間保持するように設定され、５００℃以下に下がると、再び１０ｋＡの第２電流を約０．５ｓ間付加して溶接接合部の両側を５００〜７００℃に加熱し（ＳＴＥＰ１０）、電極間に６０ｋＮの圧力を加えて第２加圧し（ＳＴＥＰ１１）、電極間距離を１８ｍｍまで近接させ、７ｍｍの第２アプセットする（ＳＴＥＰ１２）。これにより溶接接合部に強度増大部Ｗ´が形成される（ＳＴＥＰ１３）。

ここで電極間の加圧を解いて（ＳＴＥＰ１４）、電極のワーク把持を解放し（ＳＴＥＰ１５）、電極を待機位置に移動して（ＳＴＥＰ１６）終了する。

比較例

比較例は従来の溶接方法を示す。図８は比較例の閉ループ型フープ筋の突き合せ溶接方法のパターン、図９は図８に記載の記号に示す時期に形成される溶接部の形状を示す図である。
比較例では、図８に示すように電極間に８ｋＡの電流を約３秒間付加して溶接部を加熱し、電極間に６０ｋＮの圧力を加えて、約４ｓで電極間距離を２４ｍｍから４ｍｍに近接させ、２０ｍｍアプセットして溶接した。そして、このまま、電極間の加圧を解いて溶接を終了した。

（実施例と比較例の比較）
前記実施例と比較例の試験結果を表１に示す。
表から見られるように、比較例では、母材の強度に対して溶接部の強度が大幅に低下し、引張り強さで約７０％、降伏点で約５５％、伸び値で約６０％になり、破断試験では溶接箇所で切断した。これに対して、本発明では溶接部の強度低下はなく、引張り強さ、降伏点、伸びともに１００％で破断試験は母材で切断した。

本発明実施例と比較例の溶接による溶接部の形状を図６及び図９に示す。本発明実施例の溶接方法では、溶接接合部のバリの外径は約２６ｍｍ（２．０ｄ）で、縁に亀裂のない滑らかな外周のバリが得られた。これに対して図９に示す比較例の溶接接合部のバリは、外径が最大約３０ｍｍに達し、側面図を（９−ｃ）に示すように、外周に亀裂が発生し多くの切り欠きが生じた。そのために溶接接合部のバリの外周を削り取るバリ取り工程を要した。

以上説明したように、本発明の閉ループ型フープ筋の突き合せ溶接方法と装置によれば、溶接により生ずる溶接接合部のバリの外径が小さく、かつ外周の滑らかなバリが得られ、かつ溶接接合部に強度増大部を形成させる溶接が容易にできるので、高い破断強度を有する閉ループせん断補強筋が得られ、コンクリート構造材のコストを低減できる。また、従来製造が困難であった高強度熱処理線材のフープ材においても強度と信頼性の高い溶接ができるので軽量化ができる。

本発明実施形態の突き合せ溶接装置の正面図である。 本発明実施形態の突き合せ溶接装置の上面図である。 本発明実施形態の突き合せ溶接装置の加圧手段の構成を示す図である。 本発明実施形態の突き合せ溶接装置の制御手段の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例の閉ループ型フープ筋の突き合せ溶接のパターンを示す図である。 図５の工程において発生する、溶接部の形状を示す図である。 本発明の実施例の工程のフローチャートである。 従来の溶接方法による比較例の閉ループ型フープ筋の突き合せ溶接のパターンを示す図である。 図８の工程において発生する、溶接部の形状を示す図である。

符号の説明

１ フレーム、２ 電極、３ 電極移動シリンダ、４ 電極開閉シリンダ、５ ダイス、６ ダイスプレス、７ 位置検出エンコーダ、１１ 油圧ポンプ、１２圧力制御弁、１３ 切換弁 １４ タンク、２０ 制御手段、２１ ＣＰＵ、３０ 電源トランス、３１ 電力調整器

Claims (4)

1. 所定長さに切断した線材をループ状に成形しその両切断端を突き合せ溶接して閉ループ型せん断補強筋を形成させる溶接方法において、
   １．線材の溶接部両側を所定間隔をおいて電極で把持し、２．該電極間を低圧力で加圧しながら、３．該電極に溶接電力を付加して溶接部を溶接温度に加熱し、４．該電極に所定の押し込み量を与えながらアプセット溶接した後、５．電極の電力と加圧力を遮断して、６．溶接により形成された溶接接合部の温度を５００℃以下まで低下させ、７．再度電極間に電力を付加して前記溶接接合部の両側を５００〜７００℃まで加熱し、８．再び電極間を高圧力で加圧して所定量のアプセットをする、２段加熱法により前記溶接接合部に強度増大部を形成させることを特徴とする閉ループ型せん断補強筋の突き合せ溶接方法。
2. 前記溶接後の溶接接合部の冷却の際に、溶接により形成された溶接接合部のバリの外周をダイスによりプレスして成形・冷却することを特徴とする請求項１に記載の閉ループ型せん断補強筋の突き合せ溶接方法。
3. 所定長さに切断した線材をループ状に成形しその両切断端を突き合せ溶接して閉ループ型せん断補強筋を形成させる溶接装置において、線材の溶接部両側を把持または解放し線材に沿って所定区間移動駆動される電極と、該電極間に溶接電流を付加して線材を加熱する電源と、該電極間に圧力を付加して線材をアプセットする加圧手段と、前記電源と前記電極の移動駆動と前記加圧手段の加圧とを下記のように制御する制御手段とを備えたことを特徴とする閉ループ型せん断補強筋の突き合せ溶接装置。
   １．線材の溶接部両側を所定間隔をおいて電極で把持し、２．該電極間を加圧手段により低圧力で加圧しながら、３．該電極に溶接電力を付加して溶接部を溶接温度に加熱し、４．該電極に所定の押し込み量を与えながらアプセット溶接した後、５．電極の電力と加圧力を遮断して、６．溶接により形成された溶接接合部の温度が５００℃以下まで低下する設定時間保持し、７．再度電極間に電力を付加して前記溶接接合部の両側を５００〜７００℃まで加熱し、８．再び電極間を高圧力で加圧して所定量のアプセットをする、２段加熱法により前記溶接接合部に強度増大部を形成させる。
4. 前記溶接により形成された溶接接合部のバリの外周をダイスにより成形・冷却するプレスを備えたことを特徴とする請求項３に記載の閉ループ型せん断補強筋の突き合せ溶接装置。
   

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