JP6008072B1 - 隅肉溶接継手及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(I)隅肉溶接ビードに交差若しくは接するように、プレスビードを形成することにより、隅肉溶接の疲労強度を高めることができることを見出した。
なお、プレスビード3Aを隅肉ビード3側に凸となるように配置する場合は、図3(a)に示されるように、隅肉ビード溶接時の溶融金属がプレスビード3Aによってせき止められ、良好な溶接ビード形状が得られる。しかし、プレスビードが隅肉ビード側に凹になるように配置すると、図3(b)に示されるように、溶接時の溶融金属がプレスビードの凹み部に流れ出し(下の下図)、溶接ビードの肉厚が低下し十分な溶接金属強度が得られない。
前述したように、本発明は、隅肉溶接継手に用いられる金属部材を、隅肉ビードを有する側に凸になるようにプレス成型して、前記金属部材の表面にリブ状突起を予め形成することを特徴とする。本発明において、前記リブ状突起を「プレスビード」と称する。プレスビードの形成方向に対して垂直な断面形状は、プレス成形が可能であれば特に限定されず、多角形型、半楕円型、半円等の種々の形状を適用することができる。また、プレスビードの形成方向と平行な断面形状は、プレス成形が可能であれば特に限定されない。
前述したように、本発明は、隅肉ビードと交差若しくは接するように下側鋼板の一部にプレスビードを予め形成し、プレスビードの凸側の端部が隅肉ビードと重なるように隅肉溶接を行って隅肉ビードを形成することを特徴としている。
プレスビードの配置態様による疲労寿命向上への効果を調査するため、図5(a)、(b)、(e)、(f)及び(g)に示された重ね隅肉溶接継手を用いて疲労試験を行った。また、本発明によるプレスビードの配置態様と比較するため、隅肉ビードに沿って隅肉ビードと同等の長さのプレスビードが形成された重ね隅肉溶接継手(図16(b)に示す)と、プレスビード等の補剛ビードが形成されていない重ね隅肉溶接継手を用いて疲労試験を行った。
一方、T字隅肉継手(突き合わせ隅肉継手)の場合、下側鋼板からのき裂が発生しやすいという課題を考慮する必要がある。このような課題を考慮した配置態様として、図6A(1)に示すように隅肉ビード3の中央部付近に接するように下側鋼板2に凸のプレスビード3Aを配置しても良い。また、図6Bに示すように隅肉ビード3の始終端部に接するように下側鋼板2に凸のプレスビード3Aを前記隅肉ビード3の始終端部のそれぞれに配置しても良い。或いは、図6C(1)に示すように上側鋼板1に予め切り欠き1Aを設け、プレスビード3Aに前記切り欠き1Aが嵌まるように前記上側鋼板1を配置し、隅肉ビード3とプレスビード3Aが交差するように下側鋼板2に凸のプレスビード3Aを配置しても良い。
図6A(2)は、図6A(1)の上側鋼板1及び下側鋼板2の中心線を通る平面から見た断面図である。また、図6C(2)は、図6C(1)の上側鋼板1及び下側鋼板2の中心線を通る平面から見た断面図である。これらの断面図に示されるように、上下鋼板に引張荷重を加えた場合、プレスビードによって下側鋼板の面外変形が抑制される構造になっている。従って、前記プレスビードは、上下鋼板に引張荷重を加えた場合の板厚方向の回転変形を抑制し、隅肉ビードに作用する応力集中を低減する剛性向上効果によって、疲労寿命向上に効果を発揮する。
図7(a)は、隅肉ビード3に屈曲部1Bを有する重ね隅肉ビードにより形成された本発明の溶接継手の上面図である。図7(b)は、ブラケット材18の角部18Bにおいて隅肉ビード3と接するようにプレスビード3Aが配置された構造の本発明の突き合わせ隅肉継手の斜視図である。
図7(a)及び図7(b)に示すようにプレスビードは、屈曲部において隅肉ビードと交差するか、或いは、その端部が隅肉ビードを重なるように形成する必要がある。隅肉ビードと離れて形成されると、鋼板の剛性を高める部材として十分に機能しないからである。
プレスビードが上面視で線状になるように成型しても良く、或いはプレスビードが上面視で複数の線状部分で構成されるように成型しても良いが、プレスビードの長さ(La)は、下記の(A)の条件を満たすようにするのが好ましい。
(A) プレスビードの長さ(La)≧隅肉ビードの幅(W)×2
尚、図5(f)のプレスビード3Aの3A1及び3A2(或いは3A3及び3A4)に示されるように1つのプレスビードが複数の線状の膨出部分で構成される場合、線状の膨出部分はそれぞれ上記(A)の条件を満たす長さを有することが好ましい。
前述したようにプレスビードの形成方向と平行な断面形状は特に限定されないので、1つのプレスビードにおいて、高さが一定で無くても良い。但し、プレスビードの鋼部材の表面からの高さ(Ha)は、プレスビードを形成する鋼部材の厚さ(t(mm))に対して、下記の(B)の条件を満たすのが好ましい。
(B) プレスビードの高さ(Ha)≧鋼部材の厚さ(t)
プレスビードの高さが、プレスビードが形成される鋼部材の厚さに満たないと、プレスビードはその機能を十分に発揮しない。
また、プレスビードの幅(Wa)は、下記の(C)の条件を満たすようにするのが好ましい。
(C) プレスビードの幅(Wa)≧隅肉ビードの幅(W)
前述したように、プレスビードの形成方向に対して垂直な断面形状は特に限定されないが、プレスビードの幅が隅肉ビードの幅に満たないと、プレスビードとしての機能を十分に発揮しない。プレスビードの幅の上限は、溶接構造部材に求められる疲労強度を確保することができ、製品の機能が損なわれない限り、特に定めないが、プレスビードによる局部的な剛性の向上を図るためには溶接ビード幅の3倍以下とすることが望ましい。
プレスビードの形成方向の角度(γ)は、下記(D)の条件を満たすようにするのが好ましい。
(D) 45°≦プレスビードの角度(γ)≦135°
プレスビードが鋼板の剛性を高め、曲がりを抑制する機能を発揮するためには、き裂発生箇所における最大主応力の方向にプレスビードを配置することが望ましい。その最大主応力の方向は、溶接止端線と垂直方向になる場合が多いため、隅肉溶接ビードの止端線方向とプレスビードとの交差角度γは45〜135°であることが好ましい。角度γが45°未満又は135°超であると、プレスビードによる剛性向上機能が低下する。なお、設計上最大応力方向が既知の場合は、その方向にプレスビードの長手方向が一致するように形成するとよい。
前記プレスビードの前記交差角度γのより好ましい角度は、60°以上120°以下であり、特に好ましくは、80°以上100°以下である。
プレスビードの施工条件や隅肉ビード施工時のアーク溶接条件及び溶接ワイヤの組成は、常法に従えば良く、特定のものに限定されない。
また、溶接継手では、隅肉ビードに重なるようにプレスビードを形成するために、溶接継手の周辺に、プレスビードを、所要の角度、及び、所要の長さ、高さ、幅で形成し得る領域があることが必要である。
図8は、溶接構造部材の第1の実施形態を示す斜視図である。
図8に示す溶接構造部材10は、1つのチャンネル材(溝型鋼)12の上面12Aに、他のチャンネル材11の一端部を当接させ、当接した部分のうち、チャンネル材11の板面の外側にある部分のみを隅肉溶接することにより形成される。
図9は、溶接構造部材の第2の実施形態を示す斜視図である。
図9は、一方の金属部材と他方の金属部材の板面部分同士が相互に接合された重ね隅肉アーク溶接継手の例を示すものである。
図9に示す溶接構造部材20は、チャンネル材21の両側のフランジ部の裏面をチャンネル材22の相互に対向する側面に取り付け、フランジ部の先端部を重ね隅肉溶接することにより形成される。図9に示すように、隅肉ビード23が形成される部分が含まれるように、チャンネル材22の側面22Aには、チャンネル材21のフランジ部の先端部とチャンネル材22の基端部との境界(端部26A、26B)近傍に対応する箇所において、前記隅肉ビード23側に凸状のプレスビード25A、25Bを予め形成する。
図10は、溶接構造部材の第3の実施形態を示す斜視図である。
図10に示す溶接構造部材30は、角型金属管を用いたボックス材32と、角型金属管の先端部の相互に対応する二組の面のうち一組の面がボックス材32の形状に合わせて切り取られたボックス材31とを用いて構成される。
ボックス材31の先端部の切り取られていない部分の裏面がボックス材32の表面32A2と当接するとともに、ボックス材31の先端部が切り取られた部分の板厚部分がボックス材32の表面に当接するように、ボックス材32とボックス材31とが組み合わされて、当接部を隅肉溶接することにより溶接構造部材30が形成される。
尚、図10において、ボックス材32の側面32A1のみに1つのプレスビード35Aが、その凸型部分の端部と隅肉ビード33が重複するように形成されているが、前記プレスビードの数は、同一の側面に複数形成されていても良い。
図11は、溶接構造部材の第4の実施形態を示す斜視図である。
図11に示すように、下側鋼板2の上面に、チャンネル材11の一端部を当接させ、当接した部分のうち、チャンネル材11の板面の外側にある部分のみを隅肉溶接することにより形成される。第4の実施形態は、チャンネル材11の角部16A、16Bと隅肉ビードの終始端部16Cにおいて、隅肉ビード43に沿って形成されたプレスビード45A、45B及び45Cを有することを特徴とする。これらのプレスビードは、当該隅肉ビード43と重なる箇所が含まれるように、チャンネル材11の角部16A、16Bと隅肉ビードの終始端部16Cに対応する箇所を予めプレスすることによって形成される。
溶接方法 パルスマグ溶接
溶接電流 150〜200A
溶接電圧 20〜25V
ねらい位置 重ね部の隅
溶接速度 60〜80cm/min
図8及び表2に基づいて、実施形態1における実施例の結果を述べる。
図8に示す溶接構造部材10は、ハット部材12の上面12Aにコの字形状のブラケット材11を配置し、ブラケット材の外周部を隅肉溶接することにより形成される。
尚、試験片C−1はプレスビードを配置しない比較例であり、試験片C−2〜5はプレスビードを配置した発明例である。
そこで、発明例C−3ではプレスビードを隅肉ビード始終端部に加え、隅肉ビード角部(15A、15B)にも配置した。本発明例では、プレスビードの配置位置を増やしたこと、プレスビードの長さ(La/W)を増加させた効果で疲労寿命向上率が270%となった。一方、き裂発生位置は隅肉ビード角部から、隅肉ビードの始終端部とプレスビードの境界部となった。
発明例C−5はブラケット材の角部にも切り欠きを設け、隅肉ビードとプレスビードが交差するようにプレスビードを配置した例であるが、疲労寿命向上率は548%と大幅に増加した。
図9及び表3に基づいて、実施形態2における実施例を述べる。
図9に示す溶接構造部材20は、ハット部材22にコの字状のブラケット21をかぶせるように配置して、重ね隅肉溶接で接合することによって作製される。
プレスビードを配置しない比較例D−1では、隅肉ビード中央のルート部(図1Aの符号5に相当する箇所)からき裂が発生した。そこで、発明例D−2では隅肉ビードの始終端部に接するようにプレスビード25A、25Bを配置した。なお、プレスビードの角度はそこでの止端線に対して90°、すなわち隅肉ビードの溶接線に対して45°とした。疲労試験の結果、寿命向上率は132%の増加を示した。
発明例D−3は、D−2と同じプレスビードの配置としたがプレスビードの長さ及び高さをD−2よりも大きくした。その結果、疲労寿命向上率は212%と更に増加を示した。
発明例D−4は隅肉ビード始終端部に加え、隅肉ビード中央部のブラケット21側にプレスビード25Cを配置したものであるが、プレスビードの増加による溶接継手の剛性向上効果によって疲労寿命向上率は347%と大幅に増加した。
図10及び表4に基づいて、実施形態3における実施例を述べる。
図10に示す溶接構造部材30は、ボックス材31とボックス材32をT字形状に配置した溶接継手である。ボックス材の側面は突合せ隅肉溶接、ボックス材の上下面は重ね隅肉溶接で接合されている。ボックス材31に水平方向の荷重が働くと、ボックス材32の突合せ隅肉溶接側面に疲労き裂が発生しやすいため、この箇所にプレスビードを配置すると良い。
プレスビードを配置しない比較例E−1では、隅肉ビード中央部のボックス材32側の溶接止端部からき裂が発生した。そこで、その箇所の隅肉ビードに接するようにプレスビードを配置した。
発明例E−2はプレスビードの設置角度を溶接止端線に対して30°としたため、剛性向上効果が不十分であり、疲労寿命向上率は129%にとどまった。
発明例E−3はプレスビードのサイズを大きくし、プレスビードの設置角度を溶接止端線に対して45°とすることによって、疲労寿命向上率は239%に増加した。
発明例E−4はプレスビードの幅、高さを大きくし、プレスビードの設置角度を溶接止端線に対して90°(35A)とすることによって、疲労寿命向上率は417%と大幅に増加した。
1A 切り欠き
2 下側鋼材
3 隅肉溶接ビード
3A プレスビード
4 止端部
5 ルート部
10 溶接構造部材
11 チャンネル材
12 ハット材
13 隅肉ビード
14 切り欠き部
15A〜15C プレスビード
16A、16B チャンネル材の角部
16C 隅肉ビードの終始端部
20 溶接構造部材
21 チャンネル材
22 チャンネル材
23 隅肉ビード
24 隅肉ビード
25A〜25C プレスビード
30 溶接構造部材
31 ボックス材
32 ボックス材
33 隅肉ビード
35A プレスビード
36A〜36E 隅肉ビードの角部
40 溶接構造部材
43 隅肉ビード
45A〜45C プレスビード
θ 止端角
Claims (18)
- 少なくとも2つの金属部材を隅肉溶接することにより形成された隅肉溶接継手であって、
少なくとも一方の前記金属部材の表面に、前記隅肉溶接によって形成された溶接ビードを有する側に凸になるようにプレス成型により設けたリブ状突起であるプレスビードを有し、
当該プレスビードの一部が前記溶接ビードと接するか重なることを特徴とする隅肉溶接継手。
- 前記プレスビードの長手方向が、前記溶接ビードの溶接止端線の方向に対して45°以上135°以下であることを特徴とする請求項1に記載の隅肉溶接継手。
- 前記プレスビードは、前記溶接ビードの始端部、終端部、屈曲部及び当該溶接ビードの途中の当該始終端部よりも高い応力が負荷される箇所の少なくとも1つにおいて、前記溶接ビードに沿って位置することを特徴とする請求項1又は2に記載の隅肉溶接継手。
- 前記プレスビードの止端部半径Ra(mm)が、当該プレスリードを有する金属部材の厚さt(mm)以上であることを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか1項に記載の隅肉溶接継手。
- 前記プレスビードの長手方向の長さをLa、高さをHa、幅をWa、前記溶接ビードの幅をW、プレスリードを有する金属部材の厚さをtとしたとき、
La≧2W、
Ha≧t、
Wa≧W、
を満足することを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか1項に記載の隅肉溶接継手。
- 前記プレスビードが、前記溶接ビードと交差することを特徴とする請求項1〜5のうちいずれか1項に記載の隅肉溶接継手。
- 前記プレスビードが、前記溶接ビードにおいて予め求めた最大主応力が発生する部分で重なることを特徴とする請求項1〜6のうちいずれか1項に記載の隅肉溶接継手。
- 前記プレスビードが形成された金属部材と溶接される金属部材には、前記プレスビードと溶接される箇所において、前記プレスビードが嵌め込まれる切り欠き部を有することを特徴とする請求項1〜7のうちいずれか1項に記載の隅肉溶接継手。
- 前記金属部材の少なくとも一方が折れ曲がった角部を有する断面形状の金属部材であり、それを他方の金属部材に隅肉溶接して形成される隅肉溶接継手であって、
生成された溶接ビードの角部において、プレスビードが重なることを特徴とする請求項1〜8のうちいずれか1項に記載の隅肉溶接継手。
- 少なくとも2つの金属部材を隅肉溶接することにより隅肉溶接継手を形成する方法であって、
少なくとも一方の前記金属部材の表面に、前記隅肉溶接によって形成される溶接ビードを有する側に凸になるようにリブ状突起であるプレスビードをプレス成型し、
当該プレスビードの一部が前記溶接ビードと接するか重なるように、前記金属部材を隅肉溶接することを特徴とする隅肉溶接継手の製造方法。
- 前記プレスビードの長手方向を、前記溶接ビードの溶接止端線の方向に対して45°以上135°以下に形成することを特徴とする請求項10に記載の隅肉溶接継手の製造方法。
- 前記溶接ビードの始端部、終端部、屈曲部及び当該溶接ビードの途中の当該始終端部よりも高い応力が負荷される箇所の少なくとも1つにおいて、前記溶接ビードに沿ってプレスビードを形成することを特徴とする請求項10又は11に記載の隅肉溶接継手の製造方法。
- 前記プレスビードの止端部半径Ra(mm)を、プレスリードを有する金属部材の厚さt(mm)以上に形成することを特徴とする請求項10〜12のうちいずれか1項に記載の隅肉溶接継手の製造方法。
- 前記プレスビードの長手方向の長さをLa、高さをHa、幅をWa、前記溶接ビードの幅をW、プレスリードを有する金属部材の厚さをtとしたとき、
La≧2W、
Ha≧t、
Wa≧W、
を満足することを特徴とする請求項10〜13のうち何れか1項に記載の隅肉溶接継手の製造方法。
- 前記溶接ビードと交差するプレスビードを形成することを特徴とする請求項10〜14のうちいずれか1項に記載の隅肉溶接継手の製造方法。
- 前記溶接ビードに関して予め求めた最大主応力が発生する溶接部分において、前記プレスビードが接するか重なるように形成することを特徴とする請求項10〜15のうちいずれか1項に記載の隅肉溶接継手の製造方法。
- 前記プレスビードが形成された金属部材と溶接される金属部材には、前記プレスビードと溶接される箇所において、前記プレスビードが嵌め込まれる切り欠き部を形成することを特徴とする請求項10〜16のうちいずれか1項に記載の隅肉溶接継手の製造方法。
- 前記金属部材の少なくとも一方が折れ曲がった角部を有する断面形状の金属部材であり、それを他方の金属部材に隅肉溶接して形成される隅肉溶接継手を形成する方法であって、生成された溶接ビードの角部にプレスリードが重なるように、前記他方の金属部材にプレスビードを予め形成することを特徴とする請求項10〜17のうちいずれか1項に記載の隅肉溶接継手の製造方法。
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