JP4536312B2

JP4536312B2 - 溶接裏当て用鋼板の製造方法

Info

Publication number: JP4536312B2
Application number: JP2002131245A
Authority: JP
Inventors: 洋三高須賀; 寛安藤; 章原
Original assignee: SUNOUCHI CORPORATION
Current assignee: SUNOUCHI CORPORATION
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-05-07
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2022-05-07
Also published as: JP2003326391A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接裏当て用鋼板に関し、更に詳細には、鋼管である溶接母材の突き合わせ溶接のための、真直な状態で提供され溶接母材の内寸に合わせて曲げて用いられる溶接裏当て用鋼板の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄骨建築の柱によく使用される鋼管（溶接母材）例えば円形鋼管は、梁との接合方法として、図４に示されるような鋼管２を鋼板（ダイヤフラムと呼ばれる）に溶接接合し、そのダイヤフラム鋼板３に梁４を溶接接合する、いわゆる通しダイヤフラム接合形式と呼ばれる方法が多用される。この接合形式を採用する場合、柱である鋼管とダイヤフラム鋼板の溶接は図５に溶接部の断面を示すように一般に突き合わせ溶接が用いられ、溶接に際して裏当て金１が用いられる。この裏当て金１は、従来通常、フラットバーを円形に曲げて作られている。
なお、上記のような溶接母材としては、上記の円形鋼管の他、例えば、角形鋼管はじめとする多角形鋼管、楕円形鋼管等が挙げられる。
【０００３】
鋼管の湾曲部内面と裏当て金の間の隙間は、良好な溶接をするためにできるだけ密着させる必要がある。冷間成形角形鋼管設計・施工マニュアルで、上記隙間は１．５ｍｍ以下と規定されており、特にロボット溶接では０．５ｍｍ以下が推奨されており、上記の隙間がこの値を超えると、溶接の際に溶接欠陥が生ずる恐れがある。
円形鋼管は当然のことながら製造誤差等により、断面が真円になっておらず、このため、裏当て金１の製作が難しくコスト高になり、かつ裏当て金１が鋼管に対しなじみにくく、取り付けが困難であるという問題がある。
【０００４】
このため鋼管への裏当て金の取り付け方法についていくつかの提案がなされている。たとえば、特開平４−２８４９９７号公報においては裏当て金とすべき長尺のスリット板を鋼管内周長さに合わせた円筒状の巻物に成型して切断し、これを鋼管内の取り付け位置に持ち込み、鋼管を転回しながら鋼管内壁に端から順次ローラ等で押しつけてスポット溶接で固定していく方法が示されている。しかしながら、この方法は鋼管の移送スキッドや転回装置など大がかりな設備が必要となり、適用できる場合が限られ現場作業には適さない。
【０００５】
一方、このような大がかりな設備を要さずに適用できる方法として、角形鋼管用ではあるが、実開昭６３−１５７４９７号に示されるような裏当て金とすべき平鋼に切り欠き溝をあらかじめ設けておき、使用するときに鋼管の内壁に合わせて曲げるようにするものがある。
【０００６】
この実開昭６３−１５７４９７号の平鋼にあらかじめ溝を設けておく方法においては、鋼管のそれぞれのコーナー部に対応する位置に一定の幅を有する角形の溝を４個ずつ設けたものが示されている。しかしながら、その実施例に示された裏当て金にあっては、溝を設けてあった部分の背面に凹みが生じ折れ線的な曲がりとなり、これらにより鋼管の内壁との間に隙間を生じ溶接不良すなわちルート部の欠陥となる。この実開昭６３−１５７４９７号には裏当て金の溝は形状、寸法、深さ、ピッチ数を適宜変化させると記載されているものの、具体的な場合に応じてどのような考え方でどのようにしたら良いのかといったことは一切示されていない。
【０００７】
上記のような問題に対し、これもまた、角形鋼管用であるが、特開平８−１５５６７９号においては、鋼管の内面側の曲率のバラツキがある場合でも、溶接上全く問題のない程度まで隙間を極力小さく抑えることができ、かつ加工しやすい裏当て金用の鋼板が提案され、かつ実際に使用されている。
【０００８】
この特開平８−１５５６７９号の鋼管の溶接裏当て用鋼板は、鋼管の突き合わせ溶接のための真直な状態で提供され鋼管の内寸に合わせて曲げて用いる裏当て用鋼板において、鋼管それぞれの湾曲部内側の曲面部に当てるべき部分に一群の数が８個以上１０個以下のＶ溝の群を設け、前記Ｖ溝の深さは前記裏当て用鋼板の板厚から１．７ないし４ｍｍ引いた値とし、Ｖ溝の角度は一群のＶ溝の数をｎとしたとき９０／ｎ度以上１１０／ｎ度以下であることを特徴とする。
上記特開平８−１５５６７９号で提案された鋼管の溶接裏当て用鋼板は、上記の構成の通りであるが、上記のＶ溝を加工するには、先の尖った切削用刃物を用いて行わなければならないこと等から、市場に出されている実際の裏当て用鋼板の溝形成部における残存板厚は、３．５ｍｍになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記の裏当て用鋼板においては、上記残存板厚が３．５ｍｍとなっているので、簡単なものでよいが治具なしでは曲げることができないという問題がある。また、溝の加工に切削用刃物を用いなければならないため、製作に時間がかかることや、刃物の破損等から相対的に製作コストが高くなってしまうという問題もある。
裏当て用鋼板を治具なしで曲げることができるようにするには、上記の残存板厚を薄くすればよいが、このような加工を行うには上記の刃物の破損等の危険性が更に増すとともに、溶接の際に抜けが生じ、ロボット溶接の場合には、作業が停止してしまい、設定のし直し等を行わなければならず、作業効率が極端に落ちてしまうという新たな問題が発生してしまう。
【００１０】
そこで、本発明は、溝形状を再考するとともに、上記残存板厚や溝ピッチを適切に設定することにより、作業者が治具を用いずに曲げることができ、かつロボット溶接を行ったとき抜けが起こらないように構成した鋼管の溶接裏当て用鋼板を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、本発明の下記（１）〜（３）の構成のいずれかの鋼管の溶接裏当て用鋼板により解決される。
（１）鋼管である溶接母材の突き合わせ溶接のための、真直な状態で提供され溶接母材の内寸に合わせて曲げて用いられる溶接裏当て用鋼板の製造方法において、
溶接母材の各湾曲部の内曲面に当てるべき部分に、一群の溝を並列に配置して形成し、
前記溝の形状は、その深さにおける５０％以上の部分の両側面が平行な形状であり、その溝位置における残存板厚が１．５〜２．５ｍｍであり、各溝の幅が４ｍｍ以下であり、
該当湾曲部における曲率半径をｒ（ｍｍ）、鋼板の厚みをｔ（ｍｍ）、前記残存板厚をｄ（ｍｍ）、溝幅をａ（ｍｍ）、鋼板を曲げたときの溶接母材との最大間隔をｓ（ｍｍ）、溝ピッチ間角度を２θ（ラジアン）、そしてその該当湾曲部の中心角をＤ（ラジアン）とし、溝数をｎ１およびｎ２としたとき、
ｎ１＝｛ｔ−（ｄ〜ｄ／２）｝・Ｄ・１／ａ−１
によって溝数ｎ１を計算するとともに、
ｃｏｓθ＝１−ｓ／ｒ、
ｎ２＝Ｄ／２θ−１
によって溝数ｎ２を計算し、
溝数を前記ｎ１およびｎ２のうち、多い方の値以上で、溝のピッチが２．５５ｍｍ以上となる数値に設定したものであり、
端部において、前記溝のピッチを細かくして、少なくとも１個追加した
ことを特徴とする鋼管の溶接裏当て用鋼板の製造方法。
（２）前記溶接母材が、円形鋼管、楕円形鋼管または角形鋼管等の多角形鋼管である上記（１）の溶接裏当て用鋼板の製造方法。
（３）前記最大間隔ｓを０．５ｍｍ以下とした上記（１）または（２）の溶接裏当て用鋼板の製造方法。
【００１２】
【発明の作用・効果】
本発明の鋼管の溶接裏当て用鋼板においては、上記したように溝の少なくとも５０％を両側面が平行な形状としたので、少なくともその部分は鋸刃で切削することができるので、効率よく、しかも安価に製作することができる。
本発明の鋼管の溶接裏当て用鋼板においては、また、溝の形状部位における残存板厚、溝のピッチ等を上記のように容易に設定することができ、このように溝が設定された溶接裏当て用鋼板は容易に曲げることができるとともに、溶接時における抜けがなく、効率よくロボット溶接ができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施の態様による鋼管の溶接裏当て用鋼板について説明する。本発明の溶接裏当て用鋼板は、円形鋼管、楕円形鋼管、角形鋼管等の多角形鋼管、これらの鋼管の一部ずつを組み合わせた異形鋼管等のいずれをも溶接母材とすることができる。なお、このような鋼管としては、全長に亘って、サイズ（径）が均一な鋼管の他、テーパーが付けられた絞り鋼管（角形鋼管でテーパーがつけられたものは、絞りコラムと呼ばれることが多い）が挙げられる。以下の説明においては、溶接母材である鋼管を均一径の円形鋼管として説明する。
図１は、本発明の実施の態様による鋼管の溶接裏当て用鋼板を示す斜視図、図２は、図１の裏当て用鋼板の正面図、および図３は、図１の裏当て用鋼板を鋼管の湾曲部に沿って曲げた状態で表した正面図である。
【００１４】
この裏当て用鋼板１は、図１の斜視図に示すようにその全体に一連の溝１０を設けたものである。図示した例は、半円用の溶接裏当て用鋼板であるが、溶接母材である鋼管の内周長に応じて、全円用、１／３円用、１／４円用等としてもよい。
【００１５】
上記溝１０の形状は、図２によく示したように両側面が互いに平行な角形の溝であることが特に好ましいが、図６（ｂ）以下に示したように、その深さの少なくとも５０％の部分の両側面が互いに平行な形状であればよい。これにより、溝の５０％以上を鋸刃で加工することができるようになり、従来実施されていたものより大幅に加工コストを下げることができる。
各溝１０の幅は、４ｍｍ以下、好ましくは２ｍｍ以下、特に少なくとも溝の下半分（溝の入り口から遠い方の）の最大幅が１．７５ｍｍ以下であることが好ましい。この幅は、上記した溶接の抜けを考えると、狭ければ狭いほど望ましいが、狭くなると後に説明する理由により、溝の個数が多くなり加工に時間とコストがかかるようになるので、また現在の所の鋸刃の関係から下限は０．９ｍｍ程度である。
【００１６】
また溝形成部における残存板厚は、１．５〜２．５ｍｍ、好ましくは、１．７〜２．３ｍｍとする。これらの条件は理論的考案と実験による検証によって定めたものであり、以下にその理由を述べる。
【００１７】
上記したように、溝の深さは人力で容易に曲げるためには裏当て用鋼板の溝部分の残存板厚が２．５ｍｍ以下になるようにする必要がある。この曲げに必要とする力は以下のようにして計算することができる。すなわち図６に示すように溝部の残存板厚をｔ_ｂ、鋼板の板幅（図示せず）をｗ１、引張り強さをσ_Ｂとすれば応力分布Ｓは図示したようになるから合力Ｔはｔ_ｂ×ｗ１×σ_Ｂとなり、曲げモーメントＭは曲げの支点が溝の底、力点が残存板厚の半分の位置として下式のようになる。
Ｍ＝Ｔ×ｔ_ｂ／２＝ｗ１・ｔ_ｂ ^２・σ_Ｂ／２
【００１８】
たとえばσ_Ｂ＝５０ｋｇ／ｍｍ^２、ｗ１＝２５ｍｍ、ｔ_ｂ＝２ｍｍなら２５０ｋｇ・ｃｍとなり、曲げ位置から１０ｃｍずつ離れた位置を持って２５ｋｇの力で曲げられることとなり人力で容易に曲げられる。これがｔ_ｂ＝４ｍｍとなると１０００ｋｇ・ｃｍとなり万力などの工具を用いても限界となる。このため本発明においては残存板厚の上限を２．５ｍｍとした。一方下限は残存板厚があまりにも小さいと溶接の際に抜けが生ずるので１．５ｍｍとした。
【００１９】
本発明においては、溝の数・ピッチは次のようにして設定される。
円形鋼管２の内面における曲率半径をｒ（ｍｍ）、鋼板の厚みをｔ（ｍｍ）、上記残存板厚をｄ（ｍｍ）、溝幅をａ（ｍｍ）、鋼板を曲げたときの溶接母材との最大間隔をｓ（ｍｍ）、溝ピッチ間角度を２θ（ラジアン）、そしてその該当湾曲部の中心角をＤ（ラジアン）とし、溝数をｎ１およびｎ２としたとき、
ｎ１＝｛ｔ−（ｄ〜ｄ／２）｝・Ｄ・１／ａ−１式１
（裏当て用鋼板を鋼管の湾曲部に沿って曲げたときに、溝の両側壁同士が互いに干渉し合わないようにすることが好ましい（接触する程度であるならよい）。）
によって溝数ｎ１を計算するとともに、
ｃｏｓθ＝１−ｓ／ｒ、
ｎ２＝Ｄ／２θ−１式２
（ピッチが大きくなりすぎると、裏当て用鋼板の曲げた部分が実質的に円弧状にならず、多角形となってしまい、この多角形の辺と鋼管の円弧との間隙が大きくなってしまうので、この間隙（上記最大間隔ｓ）が０．５ｍｍ以下となるような、ピッチとすることが望ましい。）
によって溝数ｎ２を計算し、
溝数を前記ｎ１およびｎ２のうち、多い方の値以上に設定して、溝のピッチを定める。溝数は、溝ピッチが２．５５ｍｍ以上となる数値とする。
なお、溝数の計算の仕方は、ｎ１、ｎ２を計算するときに１を減算せず、ｎ１とｎ２のうち大きい方の値から１を減算して求めてもよい。また、式１において、括弧内の数値をｄ〜ｄ／２としたのは、ｄ／２が鋼板を曲げたときの、収縮と引っ張りの中心位置であるので、正確にはこの値を採用することが好ましいが、ｄまでの間の値であるなら実質的に問題がないために上記の値を幅をもたせて採用したものである。
【００２０】
上記の溝ピッチが上記の値未満であると、溝形成部における鉄残存量が足りなくなり、溶接の際に上記の抜けが生じやすくなる。また、図示したように、鋼板の端部において、鋼管の形状になじませやすくするため、鋼板の端部において、溝をピッチを細かくして、少なくとも１個、特に複数個追加することが好ましい。この追加の溝としては、上記のように設定された溝のピッチの１／２ピッチ（ｍｍ）以下で、少なくとも１個設けることが好ましい。
以上の説明では、溶接母材である鋼管を円形鋼管として説明したが、例えば、図８のような異形な鋼管であった場合には、湾曲部ｗ１およびｗ２の溝のピッチ、個数を別個に、上記の式を用いて計算して求めて設計する。
【００２１】
なお、溶接母材が多角形鋼管である場合とうにおいては、この鋼管の各辺の長さや曲率の誤差に対処するため、すなわち調節代として１個ないし４個の溝を追加してもよい。本考案による裏当て用鋼板は後に説明するように容易に曲げることができるので、曲げた後に鋼管の湾曲部に合わせたとき、合わない場合には、少し曲げ戻して再度曲げ直すことが可能であるので、この調節代が特に有用である。
【００２２】
【実施例】
実施例１
溶接母材および溶接裏当て用鋼板の各ファクターを下記とした。
溶接母材（円形鋼管）
外径＝４５０ｍｍφ
厚さ＝３６ｍｍ
従って、内半径ｒ＝１８９ｍｍ
溶接裏当て用鋼板
板厚ｔ＝１６ｍｍ
鋼板に形成する溝
溝幅ａ＝１．７５ｍｍ
鋼板の溝部における残存板厚ｄ＝２ｍｍ
溝を形成する角度範囲Ｄ＝２π（円形なので）
曲げた鋼板を溶接母材に設置したときの両者の間の最大間隔ｓ＝０．５ｍｍ
【００２３】
以上の各ファクターに基づき、上記の式により、望ましい溝の個数ｎを求める。
まず、式１により、ｎ１を求めると、

従って、溝の個数は、５３個である。
【００２４】
一方、式２により、ｎ２を求めると、

従って、θ＝０．０７２７５５（ラジアン）
これを、ｎ２＝Ｄ／２θに代入すると、

従って、溝の数は、４３個である。
【００２５】
多い方を採用するので、溝の数は５３個とした。
鋼管の内周長は、２πｒであるので、約１１８６ｍｍである。
従って、溝のピッチｐは、１１８６／５３＝２２．３８ｍｍである。
以上のファクターで、溶接裏当て用鋼板を作成し、これを用いて実際にロボット溶接を行ったところ、ロボット溶接による抜けがなく、効率よく溶接作業を行うことができた。
なお、溝の数を４３個とした場合には、上手く曲げることができなかった。
【００２６】
実施例２
溶接母材および溶接裏当て用鋼板の各ファクターを下記とした。
溶接母材（円形鋼管）
外径＝８００ｍｍφ
厚さ＝３６ｍｍ
従って、内半径ｒ＝３６４ｍｍ
溶接裏当て用鋼板
板厚ｔ＝１２ｍｍ
鋼板に形成する溝
溝幅ａ＝１．７５ｍｍ
鋼板の溝部における残存板厚ｄ＝２ｍｍ
溝を形成する角度範囲Ｄ＝２π（円形なので）
曲げた鋼板を溶接母材に設置したときの両者の間の最大間隔ｓ＝０．５ｍｍ
【００２７】
以上の各ファクターに基づき、上記の式により、望ましい溝の個数ｎを求める。
まず、式１により、ｎ１を求めると、

従って、溝の個数は、３９個である。
【００２８】
一方、式２により、ｎ２を求めると、

従って、θ＝０．０５２４２（ラジアン）
これを、ｎ２＝Ｄ／２θ−１に代入すると、

従って、溝の数は、５９個である。
【００２９】
多い方を採用するので、溝の数は５９個とした。
鋼管の内周長は、２πｒであるので、約２２８６ｍｍである。
従って、溝のピッチｐは、２２８６／５９＝３８．７５ｍｍである。
以上のファクターで、溶接裏当て用鋼板を作成し、これを用いて実際にロボット溶接を行ったところ、ロボット溶接による抜けがなく、効率よく溶接作業を行うことができた。
なお、溝の数を３９個とした場合には、ロボット溶接による抜けが生じ、作業が停止してしまい、設定等のし直しが必要となったため、作業能率が著しく低下してしまった。
【００３０】
なお、絞り鋼管を溶接母材とし、本発明による溶接裏当て用鋼板を用いて実際に溶接を行ったところ、上記と同様の結果が得られた。なお、溶接裏当て用鋼板を絞り鋼管のテーパーになじませるには、通常の径が均一の鋼管と同様に、丸棒をあてがい、シャコ万力で締め込んで行った。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様による裏当て用鋼板を示す斜視図である。
【図２】図１に示した裏当て用鋼板の正面図である。
【図３】図１に示した裏当て用鋼板を鋼管の湾曲に沿って曲げた状態で表した正面図である。
【図４】鋼管の使用方法の例を示す図である。
【図５】鋼管とダイヤフラム鋼板との溶接部の断面図である。
【図６】裏当て用鋼板を曲げるのに必要な力の計算方法を説明する図である。
【図７】溝の形状の変形例を示す断面図である。
【図８】異形鋼管である溶接母材の一例を示す図である。
【符号の説明】
１裏当て用鋼板
２鋼管
３ダイヤフラム鋼板
４梁
１０溝

Claims

鋼管である溶接母材の突き合わせ溶接のための、真直な状態で提供され溶接母材の内寸に合わせて曲げて用いられる溶接裏当て用鋼板の製造方法において、
溶接母材の各湾曲部の内曲面に当てるべき部分に、一群の溝を並列に配置して形成し、
前記溝の形状は、その深さにおける５０％以上の部分の両側面が平行な形状であり、その溝位置における残存板厚が１．５〜２．５ｍｍであり、各溝の幅が４ｍｍ以下であり、
該当湾曲部における曲率半径をｒ（ｍｍ）、鋼板の厚みをｔ（ｍｍ）、前記残存板厚をｄ（ｍｍ）、溝幅をａ（ｍｍ）、鋼板を曲げたときの溶接母材との最大間隔をｓ（ｍｍ）、溝ピッチ間角度を２θ（ラジアン）、そしてその該当湾曲部の中心角をＤ（ラジアン）とし、溝数をｎ１およびｎ２としたとき、
ｎ１＝｛ｔ−（ｄ〜ｄ／２）｝・Ｄ・１／ａ−１
によって溝数ｎ１を計算するとともに、
ｃｏｓθ＝１−ｓ／ｒ、
ｎ２＝Ｄ／２θ−１
によって溝数ｎ２を計算し、
溝数を前記ｎ１およびｎ２のうち、多い方の値以上で、溝のピッチが２．５５ｍｍ以上となる数値に設定したものであり、
端部において、前記溝のピッチを細かくして、少なくとも１個追加した
ことを特徴とする鋼管の溶接裏当て用鋼板の製造方法。
前記溶接母材が、円形鋼管、楕円形鋼管または角形鋼管等の多角形鋼管である請求項１の溶接裏当て用鋼板の製造方法。
前記最大間隔ｓを０．５ｍｍ以下とした請求項１または２の溶接裏当て用鋼板の製造方法。