JP5935395B2 - 溶接組立四面箱形断面部材の角溶接用開先部 - Google Patents

Description

本発明は、建築構造物のボックス柱に好適な溶接組立四面箱形断面部材の角溶接用開先部に関する。

船舶や高層建築構造物など板厚が５０ｍｍ以上の厚鋼板を使用する溶接構造物の場合、適用する溶接法は溶接部の健全性の他に、経済性も考慮して選定される。

例えば、特許文献１には、突合せ溶接において、溶接作業の工数や溶接量が増大するのを防止するため、溶接金属量が多くなるレ形やＫ形開先に替わるものとして図６に示す斜め狭開先が提案されている。母材８の開先面を両面共に傾斜させて、ルートギャップ４（ＲＧ）を介して対峙させ、裏当て金３で支持させて突合せ溶接用開先を構成している。

建築分野においてボックス柱として用いられることが多い溶接組立四面箱形断面部材の場合、超高層ビルの場合、部材の板厚は５０ｍｍ以上となるので、フランジプレートとウェブプレートからなる角部の溶接において、健全性の他に、経済性が要求される。

図８は建築分野においてボックス柱として用いられることが多い溶接組立四面箱形断面部材の断面形状を示し、フランジプレート１とウェブプレート２を箱形断面に組合わせ、「レ形」開先（図７（ａ））、「Ｉ形」開先（図７（ｂ））、「Ｖ形」開先（図７（ｃ））（以上、特許文献２）もしくはそれらを組合わせた形状の「Ｉ＋Ｖ形」開先（図７（ｄ））（特許文献３）を設けた角部ａを溶接接合して組立てられる。いずれの開先形状においても、フランジプレート１とウェブプレート２との間隙は底面に裏当て金３が取り付けられる。
「レ形」開先や、「Ｉ形」開先の場合、開先加工はウェブプレート２にのみ施されている。「Ｖ形」や「Ｉ＋Ｖ形」開先においてもフランジプレート１はその角が一直線で切断される極簡易な開先加工が施される程度で、溶接組立四面箱形断面部材の角部において、裏当金３はフランジプレート１に対して直角に取り付けられていることが多い。

ところで、鋼材に溶接を施すと、その溶接熱により接合される鋼材には熱影響部が形成され、この熱影響部では強度、靭性が劣化する。図９、１０にＣＯ_２ガス溶接とサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）で５９０Ｎ／ｍｍ^２級鋼材（板厚４０ｍｍ）と５９０Ｎ／ｍｍ^２級の溶接材料を用いて製作した溶接継手を対象として実施した熱影響部とＤＥＰＯのシャルピー衝撃試験結果（試験温度０℃）を示す。熱影響部で靭性が劣化している。

ＣＯ_２ガス溶接とサブマージアーク溶接は、それぞれ入熱は３００００Ｊ／ｃｍ、６００００Ｊ／ｃｍ程度となるよう管理し、パス間温度はともに１５０℃以下とした。

図１１にシャルピー衝撃試験片の採取位置およびノッチ位置を示す。ノッチはサイドノッチとし、その中心が板厚の１／４の位置となるように採取した。

また、溶接初層隅部においては、一般に溶接金属の溶け込み不足などの欠陥が生じ易く、脆性破断の起点となりやすい。

図１２（ａ）は溶接組立四面箱形断面部材におけるフランジプレート１とウェブプレート２の角部溶接部を説明する図で、溶接金属５の周囲には強度・靭性の劣化した熱影響部６が発生し、初層溶接部５ａが裏当て金３とフランジプレート１との僅かな隙間７の延長線上に位置する。図１２（ｂ）は角部溶接部が脆性破断する場合を模式的に示す図で、接合される梁などの部材から応力を受けて変形した場合、裏当金３とフランジプレート１の間の微小な隙間７の先端には局所的に応力が集中し、き裂が生じて、溶接熱影響部６において脆性破断が発生しやすい。

図７（ａ）〜（ｄ）に示した開先の場合、隙間７の直近に初層溶接部５ａが位置し、さらに溶接金属５がフランジプレート１に沿って充填されるため、隙間７のほぼ延長線上で連続的に強度・靭性が劣化し、容易にき裂が発生・進展する熱影響部６が位置するため、角溶接部が破断する可能性が高い。

図１３（ａ）〜（ｃ）はこの現象を実証するために実施したＦＥＭ解析の説明図で、地震時の溶接組立四面箱形断面柱１１の変形状態をモデル化したものである。図１３（ａ）はＦＥＭ解析モデル、図１３（ｂ）は柱梁接合部１２における変形状態を示す模式図、（ｃ）は（ａ）（ｂ）のａ部拡大図である。溶接組立四面箱形断面柱１１は５９０Ｎ／ｍｍ^２級鋼材を、梁材１０は４９０Ｎ／ｍｍ^２級鋼材を、溶接組立四面箱形断面柱１１の角溶接には５９０Ｎ／ｍｍ^２級の溶接材料を想定したものである。表１に使用した材料の機械的性質を示す。

解析では図１３に示すとおり梁１０の両端に荷重を作用させ、梁１０の部材変形角が１／１００ｒａｄに達したときの塑性歪の発生状態を検証した。

図１４はその解析結果であり、塑性歪コンター図を表し、色が濃いほど塑性歪が集中している、すなわちき裂が発生しやすいことを示している。図１４より、裏当金３とフランジプレート１の間に生じた微小な隙間７付近で歪が集中し、容易にき裂が発生し得ることが確認できる。

したがって、靭性や強度が劣化した熱影響部がこの隙間の直上に直線的に位置する場合は、生じたき裂が容易に進展し、溶接部全断面が破断することが想定される。

そこで、本発明は、上記問題点を解決する溶接組立四面箱形断面部材の角溶接用開先部を提供することを目的とする。

本発明の課題は、以下の手段で達成可能である。
１．溶接組立四面箱形断面部材の角部において隣り合うフランジプレートとウェブプレートを溶接するための溶接組立四面箱形断面部材の角溶接用開先部であって、前記開先部は前記溶接組立四面箱形断面部材の部材軸に直角な断面において、
前記フランジプレートと、前記フランジプレートと間隙を設けて配置される前記ウェブプレートと、前記間隙の底部に配置される裏当て金を有し、
前記フランジプレート、前記ウェブプレートおよび前記裏当て金は、前記間隙の形状が前記フランジ側に傾いた略台形で、前記略台形において長辺となる前記フランジプレートと短辺となる前記ウェブプレートが平行で、且つ前記裏当て金で前記間隙の底部となる部分が前記フランジプレートと前記ウェブプレートに直角となるように加工されていることを特徴とする溶接組立四面箱形断面部材の角溶接用開先部。
２．前記間隙が前記フランジ側に１０°以上傾いていることを特徴とする１記載の溶接組立四面箱形断面部材の角溶接用開先部。
３．前記裏当て金で前記間隙の底部となる部分が５ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることを特徴とする１または２記載の溶接組立四面箱形断面部材の角溶接用開先部。
４．１乃至３のいずれか一つに記載の溶接組立四面箱形断面部材の角溶接用開先部を溶接した溶接組立四面箱形断面部材。

狭開先溶接の開先面を傾斜させることで、ウェブプレートに生じるせん断力に対して、これを負担する断面において、強度・靭性の劣化した熱影響部の占める割合が小さくなり、溶接部の破断が生じる危険性を低減できる。また、熱影響部に生じ易いき裂の進展経路が従来技術に比べて複雑化されるため、例えき裂が生じても破断には至りにくくなり、産業上極めて有用である。

本発明の一実施形態に係る溶接組立四面箱形断面部材の角溶接用開先部を説明する図で（ａ）は溶接前、（ｂ）は溶接後を示す図。 図１に示した本発明の一実施形態に係る溶接組立四面箱形断面部材の角溶接用開先部の溶接方法を説明する図。 本発明の効果を示す実験に用いた試験体を説明する図で（ａ）は上面図、（ｂ）〜（ｄ）は側面図で、（ｂ）は開先の傾き角度が０°、（ｃ）は５°、（ｄ）は１０°の場合を示し、（ｅ）は試験体が模した溶接組立四面箱形断面部材の角溶接部を示す図。 図３の試験体を用いて行った本発明の効果を示す実験の実験結果を示す図。 図３の試験体を用いて行った本発明の効果を示す実験の実験結果を示す他の図。 斜め狭開先の形状を示す図。 従来の角溶接部の開先形状を示す図で（ａ）はレ形開先、（ｂ）はＩ形開先、（ｃ）はＶ形開先、（ｄ）はＩ＋Ｖ形開先の場合を示す。 溶接組立四面箱形断面部材の断面形状を示す図。 ＣＯ_２ガス溶接で５９０Ｎ／ｍｍ^２級鋼材（板厚４０ｍｍ）と５９０Ｎ／ｍｍ^２級の溶接材料を用いて製作した溶接継手を対象として実施した熱影響部とＤＥＰＯのシャルピー衝撃試験結果（試験温度０℃）を示す図。 サブマージアーク溶接で５９０Ｎ／ｍｍ^２級鋼材（板厚４０ｍｍ）と５９０Ｎ／ｍｍ^２級の溶接材料を用いて製作した溶接継手を対象として実施した熱影響部とＤＥＰＯのシャルピー衝撃試験結果（試験温度０℃）を示す図。 図９、１０のシャルピー衝撃試験の試験片採取位置とノッチ位置を示す図。 角部溶接部が脆性破断する場合を模式的に示す図で（ａ）は破断前、（ｂ）は破断後を示す。 本発明に係る溶接組立四面箱形断面部材の角溶接用開先部が課題とする現象を実証するために実施したＦＥＭ解析の説明図で、（ａ）はＦＥＭ解析モデル、（ｂ）は柱梁接合部における変形状態を示す模式図、（ｃ）は（ａ）（ｂ）のａ部拡大図。 図１３のＦＥＭ解析モデルの解析結果を示す図。

本発明に係る溶接組立四面箱形断面部材の角溶接用開先部は、狭開先溶接を対象とし、溶接組立四面箱形断面部材の部材軸に直角な断面において、フランジプレートとウェブプレートの開先面の両面が共に平行で、フランジ側に傾き、溶接後において、フランジプレートとウェブプレートの間隙に充填される溶接金属がフランジプレート側に傾いていることを特徴とする。以下、図を用いて本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る溶接組立四面箱形断面部材の角溶接用開先部を溶接組立四面箱形断面部材の部材軸に直角な断面において説明する図で（ａ）は溶接前、（ｂ）は溶接後を示し、図において１はフランジプレート、２はウェブプレート、３は裏当て金、４は開先空間（間隙）、５は溶接金属、６は溶接熱影響部を示す。図１（ａ）は開先を構成する各部材の形状を説明するため、各部材が離れている状態で図示している。

図示した角溶接用開先部は、フランジプレート１と、フランジプレート１と間隙４を設けて配置されるウェブプレート２と、間隙４の底部に配置される裏当て金３で構成される。

フランジプレート１、ウェブプレート２および裏当て金３は、開先を組み立てた際、間隙４の形状がフランジプレート１側に傾いた略台形となるように、長辺となるフランジプレート１の開先面と短辺となるウェブプレート２の開先面は平行に加工されている。

組立てた開先において、裏当て金３で間隙４の底部となる部分（図においてＢｕと示す部分）はフランジプレート１とウェブプレート２に直角となるように加工されている。

ウェブプレート２でフランジプレート１側の面を角度θ１（開先傾斜角度θ１と言う場合がある。）だけ、フランジプレート１側に傾けた場合、裏当て金３において間隙４の底部となる部分Ｂｕを、裏当て金３でウェブプレート２に取り付けられる面に対して角度θ１と同じ角度θ２だけ傾むくように加工する。

裏当金の切断面の幅Ｂｕは、実際に施工可能な溶接時のルートギャップとして５ｍｍ以上１５ｍｍ以下に設定することが好ましく、開先傾斜角度θ１は１０°以上とすることが好ましい。

図３は開先傾斜角度θ１が溶接部の破断挙動に及ぼす影響を調査するための溶接継手のせん断引張試験を説明する図で、（ａ）に示す５００ｍｍ幅の溶接継手は、（ｅ）に示す本発明に係る開先部を溶接した角溶接部をモデル化したもので、溶接継手を製作した後に６０ｍｍ幅で切り出しせん断引張試験片を採取した。溶接継手は、引張部（母材８）、裏当て金３、部材９で構成した。

溶接はすべてルートギャップ（間隙４）を１３ｍｍ、溶接深さを５０ｍｍとしたＩ開先の半自動溶接とした。実験パラメータは開先傾斜角度θ１で、０°（図３（ｂ））、５°（図３（ｃ））、１０°（図３（ｄ））の３ケースとした。溶接部位はＩ開先部分のみであり、例えば図３（ｂ）に示す３０ｍｍ厚の裏当て金３とウェブプレートを想定した引張部（母材８）とは溶接接合されていない。

試験片を構成する鋼材は裏当て金３も含めてすべて建築構造用７８０Ｎ／ｍｍ^２級鋼材とし、溶接材料も７８０Ｎ／ｍｍ^２級のものを使用した。表２に使用鋼材および溶接部の機械的性質一覧を示す。

一般に建築構造では溶接部で破断しないように母材に対して溶接部がオーバーマッチとなるよう施工されるが、本実験においてはＨＡＺに変形が集中して、確実に溶接部で破断させることを意図し、母材降伏耐力の実強度に対して溶接部の降伏耐力の実強度が約１割下まわるようにした。

図４、図５に試験結果を示す。図４、図５の縦軸は、溶接継目の降伏せん断耐力を表す指標_ｓβ_ｙである。

_ｓβ_ｙは溶接継目の降伏せん断耐力に対する耐力係数として使用される係数で、次式で定義される。

式において、
_{ｅｘｐ−ｓ}Ｐ_ｙ：溶接継目の降伏せん断耐力実験値
_ｓＰ_ｙ：溶接継目の降伏せん断耐力計算値
Ａｗ：溶接継目のウェブ面への投影断面積
_ｂσ_ｙ：母材の降伏耐力
_ｗσ_ｙ：溶接金属の降伏耐力
上式は、_ｓβ_ｙが１．０を上まわると溶接部の降伏せん断耐力は母材と溶接金属の降伏強さを用いて評価することができ、１．０を下まわると溶接部の降伏が先行し、当該部から早期に破断する危険性が高くなることを示す。なお、本実験での溶接部の破断面はすべて延性破面であった。

図４、図５より、開先傾斜角θ１を設けることで_ｓβ_ｙは向上することが認められる。開先傾斜角度θ１が０°の場合に、_ｓβ_ｙ＜１．０で、開先傾斜角度θ１が５°で_ｓβ_ｙ＝１．０程度、開先傾斜角度θ１が１０°の場合に_ｓβ_ｙ＝１．０６で、１．０を上まわるようになるので、開先傾斜角度θ１を１０°以上とすることが好ましい。

以上の説明は、本発明に係る溶接組立四面箱形断面部材の角溶接用開先部の長手方向に直角な断面における開先形状について行ったもので、本発明に係る溶接組立四面箱形断面部材の角溶接用開先部は部材長手方向の任意の断面において当該開先形状を備えるものである。

本発明により、溶接組立四面箱形断面部材の角部を溶接する際、開先傾斜角度θがついているために通常の半自動・自動溶接ラインにおいては初層、特に入隅部での溶接不良に注意する必要がある。図２に示すように角部の本溶接に際して溶接組立四面箱形断面部材の下にくさび状の下敷き１４を入れて、溶接トーチ１３と開先が平行になるようすればよい。

なお、溶接は特許文献４や特許文献５記載の狭開先溶接法を利用すると本発明を、より効率的に施工することが可能である。

特開平２−１２７９９１号公報 特開平９−８５４４７号公報 特開２００７−３１３５２４号公報 特許第４６３９５９９号 特開２００８−２１３０４２号公報

１ フランジプレート
２ ウェブプレート
３ 裏当て金
４ 間隙
５ 溶接金属
６ 溶接熱影響部
７ 隙間
８ 母材
９ 部材
１０ 梁材
１１ 溶接組立四面箱形断面柱
１２ 柱梁接合部
１３ トーチ
１４ 下敷き

Claims (4)

1. 溶接組立四面箱形断面部材の角部において隣り合うフランジプレートとウェブプレートを溶接するための溶接組立四面箱形断面部材の角溶接用開先部であって、前記開先部は前記溶接組立四面箱形断面部材の部材軸に直角な断面において、
   前記フランジプレートと、前記フランジプレートと間隙を設けて配置される前記ウェブプレートと、前記間隙の底部に配置される裏当て金を有し、
   前記フランジプレート、前記ウェブプレートおよび前記裏当て金は、前記間隙の形状が前記フランジ側に傾いた略台形で、前記略台形において長辺となる前記フランジプレートと短辺となる前記ウェブプレートが平行で、且つ前記裏当て金で前記間隙の底部となる部分が前記フランジプレートと前記ウェブプレートに直角となる形状であることを特徴とする溶接組立四面箱形断面部材の角溶接用開先部。
2. 前記間隙が前記フランジ側に１０°以上傾いていることを特徴とする請求項１記載の溶接組立四面箱形断面部材の角溶接用開先部。
3. 前記裏当て金で前記間隙の底部となる部分が５ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の溶接組立四面箱形断面部材の角溶接用開先部。
4. 請求項１乃至３のいずれか一つに記載の溶接組立四面箱形断面部材の角溶接用開先部が溶接された溶接組立四面箱形断面部材。