JP5770523B2 - せん断補強筋のスポット溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、住宅建築等におけるシングル配筋された鉄筋コンクリート梁として用いるのに適したシングル配筋用梁枠ユニット等において、梁主筋にせん断補強筋としてのあばら筋を溶接するのに適したせん断補強筋のスポット溶接方法に関する。

住宅建築等の基礎に用いられる鉄筋コンクリート製の基礎梁などにおいては、基礎梁の上端側および下端側に配置した上下の梁主筋に一定のピッチであばら筋を取り付けたシングル配筋構造のものが知られている。また、このようなシングル配筋構造に用いる組立鉄筋ユニットを、上下の梁主筋にあばら筋の上下の端部をそれぞれ溶接する溶接組立鉄筋工法により形成することが知られている。特許文献１には、この種の組立鉄筋ユニットを用いたシングル配筋構造の鉄筋コンクリート梁が開示されている。

ここで、鉄筋においては、溶接により焼きが入ると、その硬度は増すものの靭性が低下してしまい、伸び率が低下し脆弱になってしまう。鉄筋コンクリート構造では鉄筋により引っ張り力を負担させ、脆性破壊を防止しているので、鉄筋には十分な伸び率が要求される。かかる観点から、鉄筋の靭性を損なうことのないように、鉄筋の溶接強度は鉄筋母材の規格降伏点強度の１／３から２／３程度になるように管理されている。

ところで、従来の鉄筋コンクリートにおける配筋設計の基本的な考え方は、鉄筋とコンクリートの付着強度を高めて双方を一体化し、作用荷重によって発生する圧縮力をコンクリートに負担させ、引張力を鉄筋に負担させるというものである。この考え方に立脚すれば、梁の配筋に溶接をしようすることは鉄筋の靭性が低下するので、極力避ける必要がある。

しかしながら、鉄筋の挙動、特に、あばら筋の応力分担状態、梁の継ぎ手部分における実際の応力状態等については、依然として不明な点が多い。本発明者らは、この点に鑑みて、梁筋とあばら筋の結合強度等を変えて、鉄筋コンクリート梁の載荷試験等を行うことにより、新たな配筋設計の考え方を案出するに至り、特許文献１において、かかる新たな配筋設計の考え方に基づき、新たに考え出されたシングル配筋用梁枠ユニットおよびその継ぎ手部分に用いるのに適した継ぎ手枠ユニットを用いた鉄筋コンクリート梁のシングル配筋構造を提案している。

特許文献１では、シングル配筋用梁枠ユニットを構成する梁主筋とあばら筋との溶接強度を、鉄筋母材の規格降伏点強度以上としている。また、継ぎ手枠ユニットを構成する継ぎ手筋とあばら筋との溶接強度についても同様に、鉄筋母材の規格降伏点強度以上としている。このような構成では、鉄筋が降伏状態になる前に溶接部分が破断あるいは分離することがない。従って、コンクリートが圧縮破壊状態に至ってもユニットによってコンクリートを保持することができ、鉄筋コンクリート梁全体としての靭性を高め、その脆性破壊を防止できる。このように、コンクリートと鉄筋の付着強度だけでなく、溶接により格子状に組み立てられた梁主筋およびあばら筋からなる鉄筋枠ユニットの剛性も考慮して配筋を行うようにすると、各鉄筋の定着長さを従来に比べて短くしても、全体として強度の高い、しかも安全性の高い鉄筋コンクリート梁を実現できる。

本願出願人は、特許文献２、３において、このようなシングル配筋枠ユニットの梁主筋およびあばら筋のスポット溶接方法を提案している。特許文献２のスポット溶接方法は、予熱工程と、本溶接工程と、焼き戻し冷却工程と、焼き戻し溶接工程の４工程からなり、予熱工程、本溶接工程、焼き戻し工程の３回にわたり、溶接対象の鉄筋に通電している。また、特許文献３のスポット溶接方法は、予熱工程を行うことなく、本溶接工程と、焼き戻し冷却工程と、焼き戻し溶接工程の３工程のみを行うもので、本溶接工程および焼き戻し工程の２回にわたり、溶接対象の鉄筋に通電している。

特許文献２、３では、これらのスポット溶接方法において、各工程の通電時間、電流値、あるいは溶接対象の鉄筋径の組み合わせ等を適切に規定することにより、梁主筋に対するせん断補強筋（あばら筋）の溶接強度を、せん断補強筋の規格降伏点以上としながらも、梁主筋の引張強度および伸びについても溶接前の規格基準値以上の値に保持できるようにしている。従って、剛性および靭性のある溶接鉄筋枠ユニットを製造することができる。

特開２００２−２８５６７８号公報 特許第３６５８３３７号公報 特許第４４５４５７５号公報

特許文献３のスポット溶接方法では、予熱工程を省略することによって溶接鉄筋枠ユニットの製造の効率化が図られているが、さらなる効率化および溶接品質の向上が要望されている。特に、溶接箇所の不具合の発生を少なくし、歩留まりを向上させることが要望されている。

また、特許文献３では、本溶接および焼き戻し溶接の各通電期間において、通電中の電流値を一定の値に保持する定電流制御を行っている。このような定電流制御は、溶接電流の制御方式では主流の制御方法である。しかしながら、通電開始時に電流値を一気に定電流まで立ち上げ、通電終了時には一気に立ち下げるため、通電開始直後の散りの発生や通電終了直後の急冷による溶接品質低下のおそれが指摘されており、その抑制が可能な溶接電流の制御方式が要望されている。

更に、溶接に使用される電源装置としては交流インバータ式の電源装置が用いられているが、従来の交流インバータ式の電源装置は、交流波形の半サイクルを１単位の通電期間とし、半サイクルの周期で電流値を制御するものであった。このため、溶接電流の電流値を徐々に変動させるスロープ制御などを行うにあたって電流値を滑らかに変動させることができず、高精度な電流制御を行うことができないという問題点がある。

本発明の課題は、かかるスポット溶接方法の改良に関し、靭性を損なわずに規格降伏点強度以上の溶接強度となるように、せん断補強筋を梁主筋に溶接する作業を効率良く行うことができ、特に、溶接品質のばらつきが少なく不良品の発生比率が少ないスポット溶接方法を提案することにある。

また、本発明の他の課題は、スポット溶接などの抵抗溶接に用いる交流インバータ式の電源装置を用いて、高精度な溶接電流の制御を行うことにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、
住宅用鉄筋コンクリート梁の梁主筋に所定ピッチでスポット溶接されるせん断補強筋の
スポット溶接方法において、
前記梁主筋およびせん断補強筋を予熱することなく、これらに溶接電流を所定の時間だけ流して本溶接を行い、
当該本溶接に続いて、所定の冷却溶接時間をおき、当該冷却溶接時間には、前記梁主筋および前記せん断補強筋の急激な温度低下を抑制するための、予め定めた一定の冷却溶接電流を通電し、
当該冷却溶接時間に続いて、所定の焼き戻し電流を所定の時間だけ流して焼き戻し溶接を行うことにより、前記梁主筋に対する前記せん断補強筋の溶接強度を、前記せん断補強筋の規格降伏点強度以上の値とすることを特徴としている。

本発明は、上記のような通電制御により、せん断補強筋の規格降伏点以上の溶接強度を得るための溶接を、通電の入り切りを行うことなく１回の通電で実施している。このように、本溶接終了から焼き戻し溶接開始までの間にも通電を切ることなく低い電流を流し続けることにより、本溶接後の鉄筋の極端な温度低下を抑制して、溶接温度を保った状態で焼き戻し溶接に入ることができる。また、通電の入り切りがないため、電圧負荷も軽減される。これにより、通電時間を短縮できると共に、溶接品質のばらつきを抑制でき、不具合の発生を少なくすることができる。よって、歩留まり良く、且つ、効率良くスポット溶接を行うことができる。

本発明において、前記本溶接および前記焼き戻し溶接の各通電時間において、当該各通電時間の開始直後に、電流値を徐々に増加させるアップスロープ制御を行い、当該アップスロープ制御に続いて、当該アップスロープ制御の終了時の電流値を所定の時間だけ維持する定電流制御を行い、当該定電流制御に続いて、前記定電流制御時の電流値から徐々に電流値を減少させるダウンスロープ制御を行い、前記冷却溶接時間に通電する電流値を、前記本溶接における前記ダウンスロープ制御の終了時の電流値とすることが望ましい。このようにすると、溶接電流および焼き戻し電流の立ち上がり時および立ち下がり時の急激な電流変化が緩和されるため、急激な電流変化に起因する欠陥の発生を抑制できる。

また、本発明において、商用周波数の交流電圧を整流回路によって直流電圧に変換し、当該直流電圧をインバータによって高周波数のパルス電圧に変換し、当該パルス電圧をトランスの１次側回路に印加し、当該トランスの２次側回路に流れる２次電流を、前記溶接電流、前記冷却溶接電流、前記焼き戻し電流として用い、前記インバータにおいて、前記パルス電圧の周波数の整数分の１の所定の周波数の半サイクル期間毎に前記１次側回路に流れる１次電流の極性が切り換わるように前記パルス電圧を制御することにより、前記トランスの２次側回路に流れる２次電流の通電波形が、前記所定の周波数の交流台形波となるようにし、各パルス電圧のパルス幅を制御することにより、前記２次電流の電流値を制御することが望ましい。このような制御を行うことにより、電流値を高周波のパルス単位で制御できる。従って、電流値を滑らかに変動させることができ、高精度な電流制御を行うことができる。その一方で、単層交流式の電源装置に適合した従来型の溶接トランスをそのまま用いることができ、従来と同じ商用周波数の通電サイクルで通電を行うことができる。

この場合に、前記焼き戻し溶接における前記定電流制御の時間を、前記本溶接における前記定電流制御の時間と同一にすることが望ましい。また、前記冷却溶接時間を、前記本溶接における前記定電流制御の時間と同一にすることが望ましい。更に、前記焼き戻し溶接における前記定電流制御の電流値を、前記本溶接における前記定電流制御の電流値の６５％ないし８０％とすることが望ましい。このような構成により、せん断補強筋の規格降伏点以上の溶接強度を得ることができ、溶接後の主筋の引っ張り強度および伸びを規格基準値以上に保持できる。

また、前記冷却溶接時間に通電する電流値を、前記梁主筋および前記せん断補強筋の鉄筋径に基づいて設定することが望ましい。このように、梁主筋およびせん断補強筋の径に対して最適な条件を設定することにより、各種の溶接鉄筋枠ユニットを効率良く、且つ、ばらつきのない品質で製造できる。

本発明によれば、せん断補強筋の規格降伏点以上の溶接強度を得るための溶接を、通電の入り切りを行うことなく１回の通電で実施できる。このように、本溶接終了から焼き戻し溶接開始までの間にも通電を切ることなく低い電流を流し続けることにより、本溶接後の鉄筋の極端な温度低下を抑制して、溶接温度を保った状態で焼き戻し溶接に入ることができる。また、通電の入り切りがないため、電圧負荷も軽減される。これにより、通電時間を短縮できると共に、溶接品質のばらつきを抑制でき、不具合の発生を少なくすることができる。よって、歩留まり良く、且つ、効率良くスポット溶接を行うことができる。

本発明のスポット溶接方法を用いて製造した溶接鉄筋枠ユニットおよび継ぎ手枠ユニットから構成されるシングル配筋梁のＩ型継ぎ手構造を示す説明図である。 本発明のスポット溶接の１工程分の通電制御例を示す説明図である。 通電制御に用いる基準波形の説明図である。 本発明のスポット溶接方法に用いる溶接機の主要部分を示す説明図である。 インバータおよびトランスの出力波形の説明図である。 スロープ制御の詳細を示す説明図である。 改変例のスロープ制御を示す説明図である。

以下に、図面を参照して、本発明を適用したせん断補強筋のスポット溶接方法の例を説明する。図１（ａ）は、本例のスポット溶接方法を用いて製造したシングル配筋梁のＩ型継ぎ手構造を示す説明図である。また、図１（ｂ）はシングル配筋梁の断面構成を示す説明図、図１（ｃ）は継ぎ手枠ユニットの取り付け方法の説明図である。

まず、継ぎ対象の溶接鉄筋枠ユニット１、２の構造を説明すると、これらは基本的に同一構造であり、それぞれ、上下一対の梁主筋１１、１２および２１、２２と、これらの間に一定のピッチで掛け渡されたあばら筋１３および２３（せん断補強筋）とを備え、各あばら筋１３、２３は、それらの上下の端部が梁主筋に対してスポット溶接されている。梁丈が高い場合には、上下方向の中間位置に、梁主筋に平行となるように腹筋が配置される場合もあり、上下にそれぞれ複数本の梁主筋が配置される場合もある。このような溶接鉄筋枠ユニット１、２は一般には工場生産されて、建築現場に搬入される。注目すべき点は、梁主筋１１、１２に対するあばら筋１３、２３の溶接強度が、これらの鉄筋の規格降伏点強度以上の値となるように設定されている点である。

溶接鉄筋枠ユニット１、２を繋ぐための継ぎ手筋ユニット３は、上下一対の継ぎ手筋３１、３２と、これらの間に一定のピッチで掛け渡した複数本のあばら筋３３（せん断補強筋）とを備えている。図示の例では、４本のあばら筋３３が掛け渡されている。各あばら筋の上下の端部は、それぞれ継ぎ手筋３１、３２にスポット溶接されている。継ぎ手筋ユニット３も一般的には工場生産される。また、あばら筋と継ぎ手筋の溶接強度は、これらの鉄筋母材の規格降伏点強度以上の値とされている。このようにすると、継ぎ手筋ユニット３の面内剛性を高めることができ、継ぎ手部分に作用する力の一部を当該剛性によって負担させることができる。

図１（ｂ）および（ｃ）から分かるように、各あばら筋３３は、上下の継ぎ手筋３１、３２に対して同一の側に溶接されている。また、上下の継ぎ手筋３１、３２は、上下の梁主筋１１、１２の間、梁主筋２１、２２の間に納まるように、それらの間隔が決定されている。溶接鉄筋枠ユニット１、２においても、各あばら筋１３、２３が上下の梁主筋１１、１２、２１、２２に対して同一の側に溶接されている。

継ぎ手筋ユニット３を用いてＩ型継ぎ手部分を構成する場合には、直線状に配列した溶接鉄筋枠ユニット１、２の継ぎ手位置４に長さ方向の中心が位置するように、継ぎ手筋ユニット３を側方から溶接鉄筋枠ユニット１、２に取り付ける。すなわち、継ぎ手筋ユニット３の中心３ａに継ぎ手位置４が一致するように、溶接鉄筋枠ユニット１、２におけるあばら筋取り付け側とは反対側に取り付ける。また、溶接鉄筋枠ユニット１、２におけるあばら筋１３、２３が取り付けられていない側に、継ぎ手筋ユニット３のあばら筋３３が取り付けられていない側を重ね合わせる。

この結果、図１（ｂ）に示すように、上下の梁主筋１１、２１および１２、２２の間に上下の継ぎ手筋３１、３２が入り込み、各継ぎ手筋３１、３２は梁側のあばら筋１３、２３に当たった状態になる。この状態で、継ぎ手筋３１、３２を、それぞれ、上下の梁主筋１１、１２、２１、２２に結束線（図示せず）を用いて結束する。このようにして、図１（ａ）に示すＩ型継ぎ手構造が構成される。

本例のＩ型継ぎ手構造では、面内剛性の高い継ぎ手筋ユニット３を溶接鉄筋枠ユニット１、２の継ぎ手部分に重ね合わせて結束しているので、当該継ぎ手部分の剛性を高めることができる。この結果、継ぎ手部分に作用する引張り力は、継ぎ手筋３１、３２のコンクリートに対する付着力と、継ぎ手筋３１、３２に溶接されているあばら筋３３による支圧力により分担される。

従って、コンクリート付着力を介して鉄筋コンクリート梁に作用する引張力を継ぎ手筋に負担させていた従来の継ぎ手構造に比べて、付着力への依存度を低減できるので、必要とされる継ぎ手筋の長さＬ１を短くできる。

また、本例では、図１（ｂ）に示すように、上下の梁主筋１１、２１、１２、２２の幅内に継ぎ手筋３１、３２が納まっているので、継ぎ手部分において必要な梁幅Ｗは、梁主筋の直径と、左右のあばら筋の直径との合計寸法に、左右のコンクリート被り厚さを足した寸法でよい。従って、梁幅の増加を抑制できる。

（あばら筋のスポット溶接方法）
溶接鉄筋枠ユニット１、２および継ぎ手筋ユニット３は工場生産されるものである。以下に、工場生産において、梁主筋にあばら筋をスポット溶接する方法を説明する。

図２は本例のスポット溶接の１工程分の通電制御例を示す説明図である。本例では、商用周波数（５０／６０Ｈｚ）の１サイクルを通電時間の一単位（通電サイクル）として、溶接電流の波形を、通電サイクルの半サイクル毎に極性（電流の向き）が切り換わる交流台形波としている。そして、この通電サイクル単位で電流値の制御を行っている。通電制御の詳細については後述する。図２に示すように、本例のスポット溶接方法では、一般的な溶接工程とは異なり、予熱工程を経ることなく本溶接工程Ａが行われ、次に、冷却溶接工程Ｂが行われ、最後に、焼き戻し溶接工程Ｃが行われるようになっている。

本溶接工程Ａは、電流値を徐々に増加させるアップスロープ制御を行う第１ユニット期間（図２の期間Ｔ１）と、アップスロープ制御の終了時の電流値を所定の時間にわたって維持する第２ユニット期間（図２の期間Ｔ２）と、第２ユニット期間の電流値から徐々に電流値を減少させるダウンスロープ制御を行う第３ユニット期間（図２の期間Ｔ３）から構成されている。

冷却溶接工程Ｂは、本溶接工程Ａにおけるダウンスロープ制御の終了時の電流値をそのまま維持する第４ユニット期間（図２の期間Ｔ４）のみから構成されている。

焼き戻し溶接工程Ｃは、本溶接工程Ａと同様に、電流値を徐々に増加させるアップスロープ制御を行う第５ユニット期間（図２の期間Ｔ５）と、アップスロープ制御の終了時の電流値を所定の時間にわたって維持する第６ユニット期間（図２の期間Ｔ６）と、第６ユニット期間の電流値から徐々に電流値を減少させるダウンスロープ制御を行う第７ユニット期間（図２の期間Ｔ７）から構成されている。

本例の通電制御は、上記の第１〜第７ユニット期間によって構成されており、各ユニット期間の長さ（通電サイクル数）と、各ユニット期間の開始電流および終了電流の組み合わせを設定することにより、通電制御の基準波形が決定されている。図３は通電制御に用いる基準波形の説明図である。この基準波形Ｘに沿うように、交流台形波における各台形波の電流値を設定することにより、図２のような通電波形が得られる。

表１に、図２の通電制御を行うための各ユニット期間の設定例（基準波形Ｘの設定例）を示す。第２、第４、第６ユニット期間では、電流値を一定の値に維持する定電流制御が行われ、そのため、開始電流と終了電流が同一の値に設定されている。

表１に示すように、本例では、本溶接工程Ａおよび焼き戻し溶接工程Ｃにおける定電流制御による通電時間（期間Ｔ２、Ｔ６）を同一時間（３０サイクル）に設定しており、その前後のアップスロープ制御およびダウンスロープ制御の時間についても同一時間（各１０サイクル）に設定している。また、本例では、冷却溶接工程Ｂ（期間Ｔ４）の通電時間を、本溶接工程Ａおよび焼き戻し溶接工程Ｃにおける定電流制御の通電時間（期間Ｔ２、Ｔ６）と同一時間（３０サイクル）に設定している。

また、本例では、本溶接工程Ａの溶接電流の電流値Ｉａ（定電流になった状態の電流値）を１５．０ｋＡに設定し、焼き戻し溶接工程Ｃの溶接電流（焼き戻し電流）の電流値Ｉｃを１０．０ｋＡに設定しており、焼き戻し溶接工程Ｃの電流値Ｉｃが、本溶接工程Ａの電流値Ｉａの約６７％となっている。本願出願人は、焼き戻し溶接工程Ｃの電流値Ｉｃは、本溶接工程Ａの約６５％ないし８０％の範囲内の値とするのが好ましく、約７５％とするのがより好ましいとの知見を得ている。

更に、本例では、冷却溶接工程Ｂの間に流す電流の電流値Ｉｂを３．０ｋＡに設定している。この電流値Ｉｂは、冷却溶接工程Ｂの間に、溶接中の梁主筋およびあばら筋の溶接箇所の温度低下を適度に抑制して、溶接温度に保つことを目的に設定されている。このように、従来は通電を切っていた本溶接終了から焼き戻し溶接開始までの期間に、通電を切ることなく、低い電流を流し続けているため、溶接中の鉄筋の極端な温度低下が抑制され、溶接温度を保った状態で焼き戻し溶接に入ることができる。このようにすると、溶接の全工程にかかる時間を、一旦通電を切る場合に比べて短縮することが可能である。従って、効率良く溶接作業を行うことができる。また、通電の入り切りを行わず、全体として１回の通電で溶接を終えることができるため、電圧負荷も軽減され、溶接品質のばらつきを抑制することができる。従って、溶接の不具合を極めて少なくすることができる。

（溶接試験）
上記の表１の通電制御例は、各工程の溶接を時間をかけて丁寧に行った場合の例である。本願出願人は、各工程の通電サイクル数や電流値を変えて様々な鉄筋径のあばら筋および主筋に対してスポット溶接を行い、溶接後の試験体各部の強度等を測定する溶接試験を行った。この溶接試験では、各工程の定電流制御の期間（Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６）の通電サイクル数、本溶接および焼き戻し溶接の電流値ＩａおよびＩｃ、鉄筋径の組み合わせ（主筋径およびあばら筋径）を変えて、１０パターンの溶接条件を設定した。そして、各溶接条件について２回ずつスポット溶接を行った。なお、この溶接試験では、冷却溶接の電流値Ｉｂについては固定値（３．０ｋＡ）とした。また、アップスロープ期間およびダウンスロープ期間（Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５、Ｔ７）の通電サイクル数については固定値（５サイクル）とし、Ｔ１の開始電流およびＴ７の終了電流の値を２．０ｋＡとした。

表２〜４は溶接条件および試験結果の一覧表である。表２は主筋がＤ１９、あばら筋がＤ１０の場合（溶接条件１〜４）、表３は主筋がＤ２２、あばら筋がＤ１０の場合（溶接条件５〜８）、表４は主筋がＤ１６、あばら筋がＤ１０の場合（溶接条件９〜１０）である。また、表５は溶接試験に用いたあばら筋および主筋に対する規格基準値（あばら筋のせん断強度、主筋の降伏点強度、主筋引張強度、主筋伸び率）の一覧表である。

表２〜４に示すように、この溶接試験では、各溶接条件における焼き戻し溶接工程Ｃの電流値Ｉｃを、本溶接工程Ａの電流値Ｉａの７５％あるいはこれに近い値とした。具体的には、溶接条件１〜８では７３．３％とし、溶接条件９〜１０では７５％とした。

表２〜４の試験結果から分かる通り、溶接条件１〜１０の全てにおいて、梁主筋に対するあばら筋の溶接強度をあばら筋の規格降伏点強度以上の値にできると共に、主筋の引張強度および伸びを溶接前の規格基準値以上の値にできることが確認された。また、溶接試験全体を通して、溶接箇所に欠陥がある試験体が１つも出なかった。すなわち、上記の溶接条件では、溶接品質にばらつきが少なく、散りその他の欠陥も生じにくく、極めて歩留まりが良いことが確認された。

なお、この溶接実験では、冷却溶接の電流値Ｉｂを固定値にしているが、この電流値Ｉｂについても、溶接対象の鉄筋径の組み合わせに応じて調整するのが望ましい。例えば、シングル配筋梁用の溶接鉄筋枠ユニット１、２および継ぎ手筋ユニット３などに通常用いられる径の鉄筋に対しては、電流値Ｉｂを１．０ｋＡ〜３．０ｋＡの範囲内の値とするのが望ましい。

（溶接時の通電制御）
図４は、本例のスポット溶接方法に用いる溶接機の主要部分を示す説明図である。溶接機４０は、整流回路４１、コンデンサ４２、インバータ４３、トランス４４および加圧機構４５を有している。また、溶接機４０は、整流回路４１、コンデンサ４２、インバータ４３を制御する溶接制御部４６を有している。整流回路４１、コンデンサ４２、インバータ４３および溶接制御部４６は、全体として溶接制御装置４７として機能している。

整流回路４１は、三相交流電源端子より入力される商用周波数の交流電圧を整流して直流電圧に変換する。整流回路４１から出力された直流電圧は、コンデンサ４２で平滑化された後、インバータ４３の入力端子に入力される。インバータ４３の出力端子は、トランス４４の１次側コイル４４Ａの両端に電気的に接続されている。トランス４４の２次側コイル４４Ｂの両端には、抵抗溶接用の一対の電極が接続されている。加圧機構４５は、図示しない加圧制御部からの制御信号に従い、電極間にセットされた鉄筋を所定の加圧力によって加圧する。

溶接制御装置４７は、整流回路４１からの直流電圧をインバータ４３によって高周波数（例えば、３ｋＨｚ）のパルス電圧に変換し、当該パルス電圧をトランス４４の１次側コイル４４Ａに印加することにより、１次側コイル４４Ａに高周波数のパルス電流を流す。そして、このときトランス４４の２次側コイル４４Ｂに流れる２次電流を、溶接電流（本溶接工程Ａ、冷却溶接工程Ｂ、焼き戻し溶接工程Ｃで流す電流）として用いる。ここで、溶接制御部４６は、以下に説明するように、インバータ３２で生成したパルス電圧の周波数の整数分の１の所定の周波数（例えば、５０／６０Ｈｚ）の半サイクル期間毎に１次側コイル４４Ａに流れる１次電流の極性が切り換わるように、パルス電圧を制御する。

インバータ４３は、４つのスイッチング素子Ｐ１、Ｐ２、Ｎ１、Ｎ２を備えている。スイッチング素子Ｐ１、Ｎ１はインバータ４３の正極端子側に設けられ、スイッチング素子Ｐ２、Ｎ２はインバータ４３の負極端子側に設けられている。スイッチング素子Ｐ１、Ｐ２は、溶接制御部４６からの同相のインバータ制御信号によって同時にスイッチング制御される。スイッチング素子Ｐ１、Ｐ２が同期してオンオフを繰り返すと、スイッチング素子Ｐ１、Ｐ２を経由して、オンオフの周波数と同じ周波数のパルス電流が、図４において矢印Ｐ３で示す方向に流れる。また、スイッチング素子Ｎ１、Ｎ２も同様に、溶接制御部４６からの同相のインバータ制御信号によって同時にスイッチング制御される。スイッチング素子Ｎ１、Ｎ２が同期してオンオフを繰り返すと、スイッチング素子Ｎ１、Ｎ２を経由してオンオフの周波数と同じ周波数のパルス電流が、図４において矢印Ｎ３で示す方向に流れる。

溶接制御部４６は、スイッチング素子Ｐ１、Ｐ２の組と、スイッチング素子Ｎ１、Ｎ２の組に対する上記のようなスイッチング制御により、トランス４４の１次側コイル４４Ａに任意の周波数のパルス電流を流し、且つ、パルス電流の向きを適宜切り換えることができる。また、溶接制御部４６は、スイッチング制御におけるオン期間の幅を増減することにより、トランス４４の出力電流の大きさを調整するＰＷＭ制御を行うことができる。本例では、溶接制御部４６からインバータ４３に与えるスイッチング制御のためのインバータ制御信号の周波数を、３ｋＨｚに設定している。この値は、商用周波数（５０／６０Ｈｚ）の整数倍となるような値を選択したものである。

図５（ａ）はインバータ４３の出力波形の説明図であり、図５（ｂ）はトランス４４の出力波形の説明図である。本例では、インバータ４３は、整流回路４１から入力された直流電圧を再び商用周波数の交流電圧に変換する。そして、この交流電圧の半サイクル単位で、スイッチング素子Ｐ１、Ｐ２の組のオンオフ制御と、スイッチング素子Ｎ１、Ｎ２の組のオンオフ制御を交互に繰り返し行う。これにより、図５（ａ）に示すように、インバータ４３の出力波形は、全体として、商用周波数のサイクルで極性が変化する交流台形波となり、各台形波が、３ｋＨｚの周波数で細分割されたパルス波形の集合体となる。

トランス４４の２次側コイル４４Ｂでは、溶接回路の抵抗等により、１次側コイル４４Ａに流れるパルス電流のオフ期間に電流値が減少するもののゼロにはならず、このため、図５（ｂ）に示すように、図５（ａ）に示す交流台形波の輪郭線に沿った形状の出力波形が得られる。溶接制御部４６は、商用周波数の１サイクルを通電時間の一単位（通電サイクル）として、商用周波数の１サイクル単位で電流値の制御を行い、各サイクル中は電流値を一定にする制御を行う。また、溶接制御部４６は、トランス４４に流れる電流値を電流センサ４８からの出力に基づいて測定しており、測定した電流値に基づいてトランス４４の出力電流を調整するフィードバック制御を行う。

（スロープ制御）
図６は本例のスポット溶接方法におけるスロープ制御の詳細を示す説明図（第１ユニット期間に行われるアップスロープ制御の通電波形の拡大図）である。第１ユニット期間に対して、開始電流、終了電流、通電サイクルの３つのパラメータが指定されるため、これらのパラメータに基づき、アップスロープ制御の期間における基準波形Ｘ１（図６において一点鎖線で示す傾斜線）が決まる。溶接制御部４６は、この基準波形Ｘ１に沿って電流値を変化させるように、各通電サイクルの電流値を決定する。

溶接制御部４６は、１サイクル目の電流値を開始電流の値に決定する。また、アップスロープ期間の最後の通電サイクルの電流値を終了電流の値に決定する。第１ユニット期間の例では、これにより、１サイクル目の電流値が３．０ｋＡ、１０サイクル目の電流値が１５．０ｋＡに決定される。

他のサイクルについては、開始電流から終了電流までの電流値の増加分を通電サイクル数−１で割ることにより、通電サイクルが１増加するたびに増加すべき電流値の単位増加量が得られる。第１ユニット期間の例では、単位増加量＝１２．０ｋＡ／９である。これにより、２〜９サイクル目は、４．３３ｋＡ、５．６７ｋＡ、７．０ｋＡ、８．３３ｋＡ、９．６７ｋＡ、１１．０ｋＡ、１２．３３ｋＡ、１３．６７ｋＡのように決まる。

溶接制御部４６は、決定した電流値に従って、通電サイクル単位で電流値を制御することにより、基準波形Ｘ１に沿ったアップスロープ制御を実行する。なお、この例はアップスロープ制御の例であったが、ダウンスロープ制御の各通電サイクルの電流値についても同様に決定できる。

このように、本溶接工程Ａおよび焼き戻し溶接工程Ｃのそれぞれについてアップスロープ制御およびダウンスロープ制御を行うことにより、溶接電流および焼き戻し電流の立ち上がり時および立ち下がり時の急激な電流変化が緩和される。従って、急激な電流変化に起因する欠陥の発生を抑制できる。

（スロープ制御の改変例）
上記の例では、通電サイクル単位で電流値を制御していたため、図６に示すような階段状の通電制御波形となっていた。比較的通電時間が長い溶接（スポット溶接、プロジェクション溶接など）では、このような階段状の電流制御でも要求する溶接品質が確保できるものの、数サイクル毎に断続通電または強弱通電するシーム溶接を行う場合には、良好な溶接品質を得るためには、電流値をスロープ形状に沿ってより滑らかに変化させることが望ましいと考えられる。

図７は改変例のスロープ制御を示す説明図である。この制御例では、図６の例と同様に、商用周波数のサイクルで電流の極性を変化させ、商用周波数の通電サイクルで通電時間を制御しているが、電流値の制御については、３ｋＨｚの周波数で流れている各パルス電流を単位として行っている。これにより、基準波形Ｘ１に沿って微小ピッチで電流値を変化させることができ、各台形波の頂部が、図７に示すような滑らかなスロープ形状となるような通電制御を行うことができる。

このように、本例の溶接機４０における溶接制御装置４７は、３ｋＨｚの周波数でスイッチング素子をオンオフ制御しており、各オン期間の幅を制御できる。このため、３ｋＨｚの周波数で流れている各パルス電流を単位として電流値を制御することができ、電流値を高周波のパルス単位で制御できる。従って、電流値を滑らかに変動させることができ、高精度な電流制御を行うことができる。その一方で、単層交流式の電源装置に適合した従来型の溶接トランスをそのまま用いることができ、従来と同じ商用周波数の通電サイクルで通電を行うことができるという利点もある。

１、２ 溶接鉄筋枠ユニット
３ 継ぎ手筋ユニット
３ａ 中心
４ 継ぎ手位置
１１、１２ 梁主筋
１３ あばら筋
２１、２２ 梁主筋
２２ 梁主筋
２３ あばら筋
３１、３２ 継ぎ手筋
３３ あばら筋
４０ 溶接機
４１ 整流回路
４２ コンデンサ
４３ インバータ
４４ トランス
４４Ａ １次側コイル
４４Ｂ ２次側コイル
４５ 加圧機構
４６ 溶接制御部
４７ 溶接制御装置
４８ 電流センサ
Ａ 本溶接工程
Ｂ 冷却溶接工程
Ｃ 焼き戻し溶接工程
Ｉａ 電流値（溶接電流）
Ｉｂ 電流値（冷却溶接電流）
Ｉｃ 電流値（焼き戻し電流）
Ｎ１、Ｎ２ スイッチング素子
Ｐ１、Ｐ２ スイッチング素子
Ｗ 梁幅
Ｘ、Ｘ１ 基準波形

Claims (7)

1. 住宅用鉄筋コンクリート梁の梁主筋に所定ピッチでスポット溶接されるせん断補強筋のスポット溶接方法において、
   前記梁主筋およびせん断補強筋を予熱することなく、これらに溶接電流を所定の時間だけ流して本溶接を行い、
   当該本溶接に続いて、所定の冷却溶接時間をおき、当該冷却溶接時間には、前記梁主筋および前記せん断補強筋の急激な温度低下を抑制するための、予め定めた一定の冷却溶接電流を通電し、
   当該冷却溶接時間に続いて、所定の焼き戻し電流を所定の時間だけ流して焼き戻し溶接を行うことにより、前記梁主筋に対する前記せん断補強筋の溶接強度を、前記せん断補強筋の規格降伏点強度以上の値とすることを特徴とするせん断補強筋のスポット溶接方法。
2. 請求項１において、
   前記本溶接および前記焼き戻し溶接の各通電時間において、
   当該各通電時間の開始直後に、電流値を徐々に増加させるアップスロープ制御を行い、
   当該アップスロープ制御に続いて、当該アップスロープ制御の終了時の電流値を所定の時間だけ維持する定電流制御を行い、
   当該定電流制御に続いて、前記定電流制御時の電流値から徐々に電流値を減少させるダウンスロープ制御を行い、
   前記冷却溶接電流を、前記本溶接における前記ダウンスロープ制御の終了時の電流値とすることを特徴とするせん断補強筋のスポット溶接方法。
3. 請求項２において、
   商用周波数の交流電圧を整流回路によって直流電圧に変換し、
   当該直流電圧をインバータによって高周波数のパルス電圧に変換し、
   当該パルス電圧をトランスの１次側回路に印加し、当該トランスの２次側回路に流れる２次電流を、前記溶接電流、前記冷却溶接電流、前記焼き戻し電流として用い、
   前記インバータにおいて、
   前記パルス電圧の周波数の整数分の１の所定の周波数の半サイクル期間毎に前記１次側回路に流れる１次電流の極性が切り換わるように前記パルス電圧を制御することにより、前記トランスの２次側回路に流れる２次電流の通電波形が、前記所定の周波数の交流台形波となるようにし、
   各パルス電圧のパルス幅を制御することにより、前記２次電流の電流値を制御することを特徴とするせん断補強筋のスポット溶接方法。
4. 請求項２または３において、
   前記焼き戻し溶接における前記定電流制御の時間を、前記本溶接における前記定電流制御の時間と同一にしたことを特徴とするせん断補強筋のスポット溶接方法。
5. 請求項２ないし４のいずれかの項において、
   前記冷却溶接時間を、前記本溶接における前記定電流制御の時間と同一にしたことを特徴とするせん断補強筋のスポット溶接方法。
6. 請求項２ないし５のいずれかの項において、
   前記焼き戻し溶接における前記定電流制御の電流値を、前記本溶接における前記定電流制御の電流値の６５％ないし８０％としたことを特徴とするせん断補強筋のスポット溶接方法。
7. 請求項１ないし６のいずれかの項において、
   前記冷却溶接時間に通電する電流値を、前記梁主筋および前記せん断補強筋の鉄筋径に基づいて設定することを特徴とするせん断補強筋のスポット溶接方法。

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