JP5269550B2 - 鋼板の溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、重ねられた２枚の鋼板を接合する鋼板の溶接方法に関する。

重ねられた２枚の鋼板を接合する溶接方法として、一方の鋼板に溶接用貫通孔を形成し、溶加材を用いて溶接貫通孔の内周面と他方の鋼板とを溶接するプラグ溶接、スロット溶接、隅肉溝溶接、及び隅肉孔溶接が一般的に知られている。例えば、下記の非特許文献に記載の溶接方法では、互いに重なる第１鋼板２１及び第２鋼板２２のうち、第１鋼板２１に断面円形状の溶接用貫通孔２３を形成し、溶接トーチ２４を利用し貫通孔２３内に挿入される溶加材２５を溶融して貫通孔２３の内周部と鋼板２２とを溶接する（図１０及び図１１参照）。

このとき、貫通孔の直径（溶接貫通孔径）Ｒ_２は、第１鋼板２１の板厚ｔよりも８ｍｍを加えたもの以上、かつ溶接深さｔ_１の２．５倍（ｔ_１／Ｒ_２≧０．４）以下としている。溶接深さｔ_１は、第１の鋼板２１の板厚ｔが１６ｍｍ以下のときは板厚ｔに等しくとり、１６ｍｍを超えるときは少なくとも板厚ｔの１／２以上、かつ１６ｍｍを超えるものとしている。そして、溶接深さｔ_１と溶接貫通孔径Ｒ_２の関係を図１２に示す。図１２において、ラインＬ１は溶接貫通孔径に対する溶接深さの上限値を示し、ラインＬ２は下限値を示す。
社団法人日本建築学会著 「鋼構造設計基準 許容応力度設計法」 丸善株式会社 ２００５年９月１日 第４版第１刷 ｐ．３４

前述した溶接方法において、溶接部の溶け込みによる接合性能を安定的に確保するため、第１鋼板２１と第２鋼板２２との接触面２６に対して溶加材２５の挿入角度を６０°以下にすることが好ましい。しかしながら、第１鋼板２１の板厚ｔが厚くなるにつれ、溶接トーチ２４の挿入スペースに余裕がなくなる（図１１参照）。その結果、溶接トーチ２４の操作がし難くなるのみならず、溶接部の視界を確保することができなくなるので、溶接部をねらい難く、溶接作業が困難になってしまう。

溶接トーチ２４の挿入スペースを確保するため、貫通孔２３全体の孔径を大きくする方法が考えられるが、孔径を大きくすると溶接量が多くなるので、作業工数が増えコストの増加につながる。また、この場合、溶接部の熱影響が多くなるため、母材にダメージに与えてしまい、溶接欠陥を発生するおそれがあった。

本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、貫通孔全体の孔径を大きくすることなく、溶接部をねらい易く、且つ溶接欠陥の発生を確実に防止することを可能にした鋼板の溶接方法を提供することを目的とする。

本発明に係る鋼板の溶接方法は、重ねられた２枚の鋼板のうち、一方の鋼板に貫通孔を形成し、貫通孔に溶加材を挿入し、溶加材を溶融して２枚の鋼板を接合する鋼板の溶接方法において、一方の鋼板は、溶加材の挿入側に配置される第１主面と、他方の鋼板と接触する第２主面とを有し、貫通孔の第１主面に位置する第１開口の面積は、貫通孔の第２主面に位置する第２開口の面積よりも大きく、貫通孔の内周面には、溶接深さを規定する深さ表示部が設けられていることを特徴とする。

本発明に係る鋼板の溶接方法によれば、貫通孔の第１開口の面積は第２開口の面積よりも大きいので、溶接トーチの挿入スペースに余裕をもたせることができる。従って、溶接トーチの操作がし易くなり、作業時に溶接部の視界を確保することができる。その結果、貫通孔全体の孔径を大きくせずに溶接部をねらい易くなり、板厚に関係なく溶接の作業性を向上することができる。しかも、貫通孔全体の孔径を大きくする場合と比べて溶接量の低減を図ることが可能となるので、熱による母材へのダメージを抑制し、溶接欠陥の発生を確実に防止することができる。また、溶接深さを管理することにより、必要十分な溶接量を確保できるので、溶接の品質を保つことができる。

本発明に鋼板の溶接方法において、第２開口の領域は、第２主面に第１開口を垂直に投影した領域内にあることが好適である。

この場合にあっては、溶接トーチの操作がし易くなると共に、溶接部の視界を容易に確保することができるので、溶接部を確実にねらい易くなる。

本発明に係る鋼板の溶接方法において、貫通孔の内周面は、第２主面に対して垂直に立ち上がり深さ表示部に至る直立面を有することが好適である。

この場合にあっては、溶接の強度を確保すると共に溶接量を少なくすることができる。

本発明に係る鋼板の溶接方法において、貫通孔は、孔径の異なる小径部と大径部とを備えて構成され、小径部は、貫通孔の下部に配置され、且つ、第２開口と同じ孔径で形成され、大径部は、小径部の上方に配置され、且つ、第1開口と同じ孔径で形成され、大径部の内周面が第２主面に対し垂直に延在し、小径部と大径部との間に、深さ表示部として機能する段差が形成されていることが好適である。

この場合にあっては、溶接深さをより明確にすることができる。

本発明に係る鋼板の溶接方法において、貫通孔は、断面円形状又は楕円形状に形成されていることが好適である。

この場合にあっては、貫通孔の加工を容易に行うことができると共に溶接作業をし易くなる。また、例えば断面矩形状の貫通孔に比べて応力集中を低減することが可能となる。

本発明によれば、貫通孔全体の孔径を大きくすることなく、溶接部をねらい易く、且つ溶接欠陥の発生を確実に防止することを可能にした鋼板の溶接方法を提供することができる。

以下、図面を参照し本発明に係る鋼板の溶接方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の構成要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る鋼板の溶接方法を示す斜視図であり、図２は第１実施形態に係る鋼板の溶接方法を示す断面図である。本実施形態に係る溶接方法は、例えば積み重ねられた第１鋼板１と第２鋼板２とをプラグ溶接で接合する方法である。

第１鋼板１は、断面矩形状をなし、互いに平行する第１主面１ａと第２主面１ｂとを有している。第２鋼板２は、断面矩形状をなし、長尺状に形成されている。第１鋼板１は、その第２主面１ｂを第２鋼板２の上面２ａと接触するように、第２鋼板２の上面２ａに配置されている。

第１鋼板１の中央には、第１鋼板１を貫通する貫通孔３が設けられている。この貫通孔３は、第１鋼板１の板厚方向に延びる円錐台状を呈し、第１主面１ａと第２主面１ｂとを貫通している。そして、貫通孔３の第１主面１ａでの開口縁部により囲まれた領域は、第１開口３ａを形成し、第２主面１ｂでの開口縁部により囲まれた領域は、第２開口３ｂを形成している。

図２に示すように、貫通孔３の孔径は、第２開口３ｂから第１開口３ａに向かって漸次広がっている。従って、第１開口３ａの面積は第２開口３ｂの面積よりも大きくなる。また、第２開口３ｂの領域は、第２主面１ｂに対し第１開口３ａを垂直に投影した領域内に入ることになる。

貫通孔３の内周面には、溶接深さを規定する深さ表示ライン（深さ表示部）６が設けられている。ここで、溶接深さとは、第２鋼板２の上面２ａ（すなわち、第１鋼板１と第２鋼板２との接触面）を基準とした溶融金属の高さを意味している。この深さ表示ライン６は、例えば内周面に描かれた直線である。

深さ表示ライン６は、例えば貫通孔の寸法、板厚、必要な接合強度等に基づいて設定されている。このように深さ表示ライン６を設けることにより、溶接時に作業者が要求される溶接深さを把握することができるので、溶接深さを容易に管理することができる。従って、必要十分な溶接量を容易に確保し、溶接の品質を保つことができる。

なお、深さ表示部として、深さ表示ライン６のほか、例えば図３に示すように貫通孔３の内周面に段差１５を設けて段差の角部１５ａを深さ表示部として用いてもよい。段差１５は、例えば貫通孔３の内周面から内側に突出する突出部によって形成されている。

図１及び図２に示すように、貫通孔３内部には、溶接トーチ４が挿入されている。溶接トーチ４は、第１鋼板１の第１主面１ａ側から貫通孔３に挿入され、溶接トーチ４の先端には、溶加材５が保持されている。溶加材５は、第２鋼板２の上面２ａに対して６０°の角度をもって傾斜している。そして、溶接の際に、第２開口３ｂを形成する開口縁に溶加材５の先端を当接させ、矢印Ｆに沿って溶接トーチ４を回転しながら溶接を行う。

本実施形態によれば、貫通孔の第１開口３ａの面積は第２開口３ｂの面積よりも大きいので、溶接トーチ４の挿入スペースに余裕をもたせることができる。従って、溶接トーチ４の操作がし易くなり、溶接作業時に溶接部の視界を確保することができる。その結果、貫通孔３全体の孔径を大きくせずに溶接部をねらい易くなり、溶接の作業性を向上することができる。しかも、従来のように貫通孔３全体の孔径を大きくする場合と比べて、溶接量の低減を図ることが可能となるので、熱による母材へのダメージを抑制し、溶接欠陥の発生を確実に防止することができる。

また、貫通孔３は断面円形状に形成されているので、貫通孔３の加工を容易に行うことができると共に溶接作業をし易くなる。しかも、この場合は、断面矩形状の貫通孔に比べて応力集中を低減することが可能となる。

（第２実施形態）
図４は第２実施形態に係る鋼板の溶接方法を示す断面図である。本実施形態に係る鋼板の溶接方法は、貫通孔の形状の点において第１実施形態と相違している。その他の構造等は第１実施形態と同様であるので、重複する説明を省略する。

図４に示すように、第１鋼板１に設けられた貫通孔７は、第１主面１ａに位置する第１開口７ａと、第２主面１ｂに位置する第２開口７ｂとを有している。第１開口７ａは、貫通孔７の第１主面１ａでの開口縁部により形成され、第２開口７ｂは、貫通孔７の第２主面１ｂでの開口縁部により形成されている。そして、第１開口７ａは、第２開口７ｂの面積よりも大きく形成されている。

貫通孔７は、孔径の異なる小径部８と大径部９とを備えて構成されている。小径部８は、貫通孔７の下部に配置され、第２開口７ｂと同じ孔径で形成されている。小径部８の内周面（直立面）は、第２主面１ｂに垂直に立ち上がっている。一方、大径部９は、小径部８の上方に配置され、第１開口７ａと同じ孔径で形成されている。大径部９の内周面は、第２主面１ｂに対し垂直に延在している。

小径部８と大径部９とは、互いに連結され、これによって、小径部８と大径部９との間に段差１０が形成されている。段差１０の角度部１０ａは、溶接深さを規定する深さ表示部として機能する。このようにすれば、溶接深さをより明確にすることができる。

本実施形態に係る鋼板の溶接方法は、第１実施形態に係る鋼板の溶接方法と同様な作用効果が得られるほか、小径部８の内周面が第２主面１ｂに対し垂直に立ち上がっているので、溶接の強度を確保すると共に、円錐台状に形成された貫通孔３の場合と比べて溶接量を少なくすることができる。

図５に示すように、溶接された溶接部１６にせん断力を加える場合において、第２開口７ｂが位置する第２主面１ｂを第１破断面Ｓ１とし、第２開口７ｂを形成する貫通孔７の開口縁を起点として第２主面１ｂに対し４５°の角度で傾斜する傾斜面を第２破断面Ｓ２と仮定したとき、第１破断面Ｓ１で破断するように式（１）が設定される。

そして、第１破断面で破断するための条件として、第２開口７ｂの孔径Ｒ_２及び溶接深さｔ_１は式（２）の関係を満たすことになる。

式（３）を満たす場合には、上述した従来技術と比べて溶接量を低減することが可能となり、特に、板厚が厚くなるにつれ、溶接量低減の効果が顕著になる。溶接深さと溶接貫通孔径（すなわち、第２開口の孔径）との関係について従来との比較を図６に示す。図６において、ラインＬ１は溶接貫通孔径に対する溶接深さの上限値を示し、ラインＬ２は下限値を示し、Ｌ３は提案式（すなわち、式（２）を示す。図６に示すように、同孔径の溶接貫通孔に対して式（３）を満たす場合の溶接深さは従来よりも大幅に減少していることが明らかである。

（第３実施形態）
図７は第３実施形態に係る鋼板の溶接方法を示す断面図である。本実施形態に係る鋼板の溶接方法は、貫通孔の形状の点において第１実施形態と相違している。その他の構造等は第１実施形態と同様であるので、重複する説明を省略する。

図７に示すように、第１鋼板１に設けられた貫通孔１１は、第１主面１ａに位置する第１開口１１ａと、第２主面１ｂに位置する第２開口１１ｂとを有している。第１開口１１ａは、貫通孔１１の第１主面１ａでの開口縁部により形成され、第２開口１１ｂは、貫通孔１１の第２主面１ｂでの開口縁部により形成されている。そして、第１開口１１ａは、第２開口１１ｂの面積よりも大きく形成されている。

貫通孔１１は、同径部１２と縮径部１３とから構成されている。同径部１２は、貫通孔１１の下部に配置され、第２開口１１ｂと同じ孔径で形成されている。同径部１２の内周面（直立面）は、第２主面１ｂに対し垂直に立ち上がっている。一方、縮径部１３は、同径部１２の上方に配置され、その一端は同径部１２に連結され、他端は第１開口１１ａに連結されている。従って、この縮径部１３の孔径は、第１開口１１ａから同径部１２側に向かって漸次縮径している。

そして、異なる孔径の同径部１２と縮径部１３とを連結することにより、両者の間に角部１４が形成されている。この角部１４は、溶接深さを規定する深さ表示部として機能する。このようにすれば、溶接深さをより明確にすることができる。

本実施形態に係る鋼板の溶接方法は、第１実施形態に係る鋼板の溶接方法と同様な作用効果が得られるほか、同径部１２の内周面が第２主面１ｂに対し垂直に立ち上がっているので、溶接の強度を確保すると共に、円錐台状に形成された貫通孔３の場合と比べて溶接量を少なくすることができる。

以下に実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

まず、溶接構造用圧延鋼材（ＳＭ４９０Ａ、板厚２２ｍｍ）からなる第１鋼板に貫通孔を形成した。貫通孔の形状は、上述の第２実施形態にて説明したように小径部と大径部とを有するものとした。大径部の孔径Ｒ_１及び小径部の孔径Ｒ_２の寸法は図８に示す。そして、このような貫通孔を有する第１鋼板を４種類作製した。

次に、第１鋼板１と同じ材料からなる第２鋼板の両面に、作製した第１鋼板を半自動溶接にて充填溶接を行い、４種類の試験体を各３体作製した。ここでの溶接深さをｔ_２として図８に示し、詳細な溶接条件を図９に示す。

続いて、作製した４種類の試験体に対し、溶接部にせん断力を加えるような引張試験を実施し、それぞれの破断形状を確認した。引張方向は、試験体の長手方向であった。溶接深さｔ_２を式（２）のｔ_１に代入した結果、式（２）を満足する場合には、試験体は全て第１破断面Ｓ１で破断し、一方、式（２）を満足しない試験体は溶接部が抜き出すような破断をした。図８において、Ａは破断面Ｓ１での破断を示し、Ｂは溶接部の抜き出し破断を示す。

さらには、式（２）を満足しない試験体においては試験体の最大せん断応力度にばらつきがでた。したがって式（２）を満足しない場合は、設計上溶接部に適した耐力を安定して得ることができない。

これによって、溶接部にせん断を伝えるのみにする場合に、式（２）を満足させる溶接部形状にすれば接合強度を十分確保できることが確認された。このように式（２）を満足させる溶接部形状にすることにより、接合強度を確保できると共に、従来技術よりも溶接量を削減することができ、しかも、溶接部への熱影響及び作業コストの削減を図ることが可能となる。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態において、貫通孔３，７，１１の断面を円形状としたが、楕円形状としてもよい。また、上記の実施形態では、第１鋼板１と第２鋼板２とをプラグ溶接で接合することについて説明したが、隅肉溝溶接等にも適用される。

第１実施形態に係る鋼板の溶接方法を示す斜視図である。 第１実施形態に係る鋼板の溶接方法を示す断面図である。 貫通孔の内周面に段差を設けた状態を示す断面図である。 第２実施形態に係る鋼板の溶接方法を示す断面図である。 溶接部の破断面を示す断面図である。 溶接深さと溶接貫通孔径との関係について従来との比較を示す図である。 第３実施形態に係る鋼板の溶接方法を示す断面図である。 実施例に係る試験体の寸法を示す図である。 溶接条件を示す図である。 従来技術を示す斜視図である。 従来技術を示す断面図である。 溶接深さと溶接貫通孔径の関係を示す図である。

符号の説明

１…第１鋼板、１ａ…第１主面、１ｂ…第２主面、２…第２鋼板、３，７，１１…貫通孔、３ａ，７ａ，１１ａ…第１開口、３ｂ，７ｂ，１１ｂ…第２開口、５…溶加材、６…深さ表示ライン（深さ表示部）、１０ａ，１４，１５ａ…段差の角部（深さ表示部）。

Claims (5)

1. 重ねられた２枚の鋼板のうち、一方の鋼板に貫通孔を形成し、前記貫通孔に溶加材を挿入し、前記溶加材を溶融して前記２枚の鋼板を接合する鋼板の溶接方法において、
   前記一方の鋼板は、前記溶加材の挿入側に配置される第１主面と、他方の鋼板と接触する第２主面とを有し、
   前記貫通孔の前記第１主面に位置する第１開口の面積は、前記貫通孔の前記第２主面に位置する第２開口の面積よりも大きく、前記貫通孔の内周面には、溶接深さを規定する深さ表示部が設けられていることを特徴とする鋼板の溶接方法。
2. 前記第２開口の領域は、前記第２主面に前記第１開口を垂直に投影した領域内にあることを特徴とする請求項１に記載の鋼板の溶接方法。
3. 前記貫通孔の内周面は、前記第２主面に対して垂直に立ち上がり前記深さ表示部に至る直立面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の鋼板の溶接方法。
4. 前記貫通孔は、孔径の異なる小径部と大径部とを備えて構成され、
   前記小径部は、前記貫通孔の下部に配置され、且つ、前記第２開口と同じ孔径で形成され、
   前記大径部は、前記小径部の上方に配置され、且つ、前記第1開口と同じ孔径で形成され、
   前記大径部の内周面が前記第２主面に対し垂直に延在し、
   前記小径部と前記大径部との間に、前記深さ表示部として機能する段差が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の鋼板の溶接方法。
5. 前記貫通孔は、断面円形状又は楕円形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の鋼板の溶接方法。

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