JP6451218B2 - 補剛材の隅肉溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、補剛材同士が近接する場合などに発生する割れの防止に関するもので、より詳しくは、一方の補剛材にスカラップが存在し、そこに角回し溶接を施工することでもう一方の補剛材などの溶接ビードと角回し溶接ビードが近接することにより発生する割れの防止に関するものである。

造船、橋梁などの溶接構造物の安全性は、溶接部の安全性で決定される。そのため、溶接部に割れが生じる場合は、構造物全体の安全性に大きな影響を与えることになるため、その防止対策には十分注意しなければならない。溶接部に発生する割れには、大きく低温割れと高温割れの二種類があるとされている。低温割れは水素が起因となる割れで、主として、溶接部の冷却が終了してから発生する。高温割れは、溶接金属の凝固が終了するときに発生する割れで、溶接部がかなり高温状態のときに発生する割れである。これらの割れに対する防止対策としては、低温割れに対して溶接前の予熱、高温割れに対しては溶接金属のＣやＳなどの成分抑制や溶接ビード形状の改良などがある。

一方、これら割れに加えて、補剛材同士が近接している場合で、一方の補剛材にスカラップが形成され、そこの角回し溶接ビードがもう一方の補剛材の隅肉溶接部に近接している場合では、２つのビードが近接していることにより割れが発生する場合がある。この割れの原因は必ずしも明らかではないが、割れの発生が溶接終了直後ではない、溶接熱影響部又は母材に伝播することから、低温割れに分類される場合がある。また、このような割れを防止する対策として、角回し溶接ビードと隅肉溶接ビードの間隔を十分離して溶接するという方法が採用されており、５０ｍｍ以上の間隔にする場合が多い。

しかしながら、溶接構造物の構造によっては、角回し溶接ビードと隅肉溶接ビードの間隔を十分に取ることができない場合もある。その場合の対策としては、角回し溶接ビードと隅肉溶接ビードをわざと十分重ね合わせる方法がとられているようである。しかし、この方法は溶接量が多くなるので、施工効率が悪くなるというデメリットがある。そのため、角回し溶接ビードと隅肉溶接ビードの間隔が狭く、かつ溶接ビードの重ね合わせをしなくても割れが防止できる方法が望まれていた。

本発明は、補剛材などの溶接の場合で、溶接ビードが近接する場合に発生する割れの防止方法を提供することを目的とする。

そこで、本発明者らは、上記課題を解決する方法について鋭意検討した。その結果、補剛材などの溶接において、溶接ビードが近接する場合に発生する割れの防止対策として、溶接施工を２回に分けて実施し、角回し溶接部の溶接施工を最後に実施することで、近接ビード間に発生するひずみの集中を緩和させ、割れを防止できることを見出した。その要旨は次のとおりである。

（１）一方の補剛材を他方の補剛材のスカラップを通して平板上に交差して配置して、それぞれの補剛材と平板を隅肉溶接する方法において、
スカラップを有する補剛材のスカラップ端部と、スカラップを通して配置される補剛材の間隔Ｌａを５０ｍｍ未満とし、
前記スカラップを有する補剛材の角回し溶接部を含む隅肉溶接部のうち、前記スカラップを通して配置される補剛材と当該スカラップを通して配置される補剛材から５０ｍｍ以上離れた位置との間にある隅肉溶接部を第１の隅肉溶接部とし、
スカラップを有する補剛材の前記第１の隅肉溶接部以外の隅肉溶接部及びスカラップを通して配置される補剛材の隅肉溶接部を第２の隅肉溶接部とし、
初めに、第２の隅肉溶接部を隅肉溶接し、該第２の隅肉溶接部の溶接が形成する変形を発生させた後、第１の隅肉溶接部を隅肉溶接することを特徴とする補剛材の隅肉溶接方法。

本発明は、補剛材同士の隅肉溶接部が近接していても割れを防止することができる。従って、構造物によって、スカラップの大きさが十分取れず、溶接ビードが近接してしまう場合においても割れを防止することができる。

溶接継手に発生する溶接変形を説明する図を示す。（ａ）は溶接ビードによって発生する角変形を示し、（ｂ）は溶接ビードによって発生する縦曲がり変形を示し、（ｃ）は溶接ビードによって発生する角変形と縦曲がり変形を示す。 図１（ｃ）の平板と平行なスカラップを含む面で切断した断面の図を示す。 近接ビード部を拡大した図を示す。 第１の隅肉溶接部と第２の隅肉溶接部の区別をしない隅肉溶接をした試験片の図を示す。（ａ）は試験片全体の概略を示し、（ｂ）は平板と平行なスカラップを含む面で切断した断面の（ａ）の点線部分の拡大図を示す。 第１の隅肉溶接部と第２の隅肉溶接部の区別をする隅肉溶接をした試験片の図を示す。（ａ）は試験片全体の概略を示し、（ｂ）は平板と平行なスカラップを含む面で切断した断面の（ａ）の点線部分の拡大図を示す。

以下に、本発明を実施するための形態について述べる。初めに、本発明の技術思想について述べる。なお、以降、補剛材同士の隅肉溶接部が近接している場合に発生する割れを、近接ビード割れと呼ぶことにする。

本発明は、一方の補剛材を他方の補剛材のスカラップを通して平板上に交差して配置して、補剛材と平板を隅肉溶接する方法において、補剛材の隅肉溶接の予定箇所を２つの隅肉溶接部に分類するものである。すなわち、スカラップを有する補剛材の隅肉溶接部のうち、スカラップを通して配置される補剛材から少なくとも５０ｍｍの範囲の隅肉溶接部を第１の隅肉溶接部とし、スカラップを通して配置される補剛材の隅肉溶接部も含めたそれ以外の隅肉溶接部を第２の隅肉溶接部として分類する。そして、第２の隅肉溶接部を最初に隅肉溶接し、その後第１の隅肉溶接部を隅肉溶接することを特徴としている。この理由は、第２の隅肉溶接部により発生する溶接変形をまず形成させ、溶接変形形成後に第１の隅肉溶接部を隅肉溶接することで割れを防止するという考え方である。なお、便宜上、「スカラップを通して配置される補剛材」を「スカラップを有しない補剛材」という。

本発明では、近接ビード割れの発生機構として、溶接変形を考えている。そして、溶接変形形成後に問題となる隅肉溶接を実施することで、近接ビード割れを防止できると考えている。図１は、溶接継手に発生する溶接変形の説明図である。割れを発生させている溶接変形は、図１（ａ）にある平板１と補剛材２の溶接により形成される溶接ビード４、５によって発生する角変形と、図１（ｂ）にある平板１と補剛材３の溶接により形成される溶接ビード６、７によって発生する縦曲がり変形の両方である。これら角変形と縦曲がり変形の両方が発生する継手が、図１（ｃ）に示す複数の補剛材が存在する場合である。

図１（ｃ）では、溶接ビード４、５によって発生する角変形は、補剛材３によって変形が拘束される。そのため、溶接ビード４と溶接ビード６の間の近接ビード部８及び溶接ビード５と溶接ビード７の間の近接ビード部９に引っ張りの塑性ひずみが発生する。一方、溶接ビード６及び７による縦曲がり変形も、近接ビード部８、９に引張りの塑性ひずみを発生させる。一方、近接ビード部８に着目すると、実質的な板厚は、溶接ビード４と溶接ビード６が形成されている間のところが一番薄いことがわかる。そのため、溶接変形によって発生する塑性ひずみは、板が一番薄い部分に集中することとなる。このひずみの集中が近接ビード部８に割れを発生させている。なお、近接ビード部９に関しても同じである。従来技術では、近接ビード部８、９の幅、すなわち、スカラップ端部とスカラップを有しない補剛材の間隔Ｌａを５０ｍｍ以上に設定するなどして、このひずみ集中が回避され、それにより割れが防止できていたものと考えられる。

本発明では、この塑性ひずみの集中を無くすために、図１（ｃ）における溶接ビード６及び７をそれぞれ２つの溶接ビードに分ける方法を採用している。図２は、図１（ｃ）の平板と平行なスカラップを含む面で切断した断面の図である。図２における溶接ビード１０及び１１は、図１（ｃ）における溶接ビード６に対応するものである。同様に、図２における溶接ビード１２及び１３は図１（ｃ）における溶接ビード７に対応する。

本発明では、図２における溶接ビード４、５、１０、１２を初めに形成することを特徴とする。これにより、角変形及び縦曲がり変形が発生するが、図１（ｃ）と異なり図２の場合は、この変形により発生する塑性ひずみは、溶接ビード１１、１３がまだ形成されていないため、図１（ｃ）のように近接ビード部８、９に集中するということは無いため、割れは発生しない。そして、この変形が発生し終わってから溶接ビード１１、１３を形成する。これにより近接ビード割れを防止するというのが、本発明の本意である。なお、本発明では、以降、第２の隅肉溶接部に形成する溶接ビード４、５、１０、１２を第２の隅肉溶接ビード、第１の隅肉溶接部に形成する溶接ビード１１、１３を第１の隅肉溶接ビードということがある。また、図２における距離Ｌは、スカラップを有しない補剛材２とスカラップを有する補剛材３の第２の隅肉溶接ビードの端部の間隔である。

次に、本発明において、第１の隅肉溶接部の範囲を限定した理由について述べる。

本発明では、第１の隅肉溶接部を、スカラップを有する補剛材３の隅肉溶接部のうち、スカラップを有してない補剛材２と、この補剛材２から５０ｍｍ以上離れた位置の間にある隅肉溶接部と設定した。これは、５０ｍｍより狭い範囲に設定すると、角変形及び縦曲がり変形による塑性ひずみの集中が顕著になり近接ビード割れ発生の危険が高まるため、この値を設定した。本発明の本意からすると、第１の隅肉溶接部の範囲の上限を必ずしも設定する必要は無いが、溶接施工効率を考慮すると、この範囲の上限は２００ｍｍが好ましく、さらに、１００ｍｍがより好ましい。

次に、第２の隅肉溶接ビードを形成してから第１の隅肉溶接ビードを形成するまでの時間について述べる。

本発明での近接ビード割れ防止の手段は、近接ビード間の塑性ひずみの集中を緩和させることにある。通常では、図１（ｃ）における溶接ビード４、５、６、７を一気に形成されるのであるが、塑性ひずみの集中を避けるために、図２のように第２の隅肉溶接ビードと第１の隅肉溶接ビードに分けて施工することを特徴としている。しかし、図２のように溶接ビードを分けたとしても、これら溶接ビードを一気に形成すると、実質的に図１の場合と同じ溶接変形が発生し、近接ビードでの塑性ひずみの集中が避けられない。そのため、第１の隅肉溶接ビードを形成する前にある程度溶接変形を発生させ、塑性ひずみの集中を避ける必要がある。そのため、第２の隅肉溶接ビードを形成させた後、ある程度時間を置いてから第１の隅肉溶接ビードを形成させる必要がある。この時間間隔は、溶接される鋼材の強度や板厚によって異なってくるため、事前にこの時間間隔を定めておくことが望ましい。

まず、鋼材の板厚の影響について簡単に説明する。鋼材が曲げ変形を受けると、外側の表面には引張りのひずみ、内側の表面には圧縮のひずみが生じる。この際、板厚中央では、ひずみが発生しない。図３は、このことを説明した図である。図３は、図１（ｃ）における近接ビード部８を拡大した図で、左右対称とみなし、図１（ｃ）の左側のみ示している。図３のｒ₀は、曲げ変形が発生したときの板厚中心１４における曲率半径で、ｒは、板表面における曲率半径である。平板の板厚はｔとしている。図３において、板表面のひずみを計算すると、表面の円弧の長さは、ｒθ、板厚中心での円弧の長さがｒ₀θなので、ひずみは、下記式で計算される。

すなわち、曲率半径が同じならば、ひずみの大きさは板厚ｔに比例する形になる。これは、板が厚くなるとひずみ量が大きくなり、割れ発生の危険性が増すことを意味している。そのため、板が厚い時は、第２の隅肉溶接ビードが形成する変形を十分発生させた後に第１の隅肉溶接ビードを形成する必要がある。

次に、鋼材強度について述べる。本発明で扱っている割れは、近接ビード部に発生しているひずみの集中が起因となっているものである。そのため、鋼材そのものに十分な塑性変形能が備わっていれば、割れは発生しないはずである。鋼材強度が増加すると、この塑性変形能が低下する傾向にあるので、板が厚い場合と同様、第２の隅肉溶接ビード形成後から第１の隅肉溶接ビードを施工するまでの時間を長く設定することが望ましい。

以上のように、時間間隔は、問題となる鋼材強度と板厚によるため、必ずしもある共通の値を設定することは効率的ではない。なぜなら、共通の値を設定する場合は、厚板の高強度鋼の場合でも、割れが防げるような時間間隔に設定せざるをえない。このようにして設定した時間間隔は、板が薄い場合やあまり高強度ではない鋼材に対しては、不必要に長い時間間隔になり、溶接施工効率を犠牲にすることになる。例えば、４９０ＭＰａ級鋼材又はそれ以下の強度レベルの鋼材の場合は、時間間隔は５分程度に設定すればいいが、７８０ＭＰａ級鋼材の場合は、この時間間隔は１０分程度に設定することが望ましい。実際には、時間間隔は、割れ調査を行って事前に決定しておけばよく、当業者ならば十分良好な判断を下すことができる。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

図４は、第１の隅肉溶接部と第２の隅肉溶接部の区別をしない隅肉溶接をした試験片の図である。図４（ａ）は試験片全体の概略であり、図４（ｂ）は、平板１と平行なスカラップを含む面で切断した断面の図４（ａ）の点線部分の拡大図である。図４の試験片では、板厚１０ｍｍの５９０ＭＰａ級鋼板を、平板１では、８００ｍｍ幅１０００ｍｍ長さ、補剛材３では、２００ｍｍ高さ９００ｍｍ長さ、補剛材２では、５０ｍｍ高さ７００ｍｍ長さとして、溶接ビード４、溶接ビード５、溶接ビード６、溶接ビード７をこの順序で形成した。図４に示す、第１の隅肉溶接部と第２の隅肉溶接部の区別をしない場合を、以降、パターン１と表記する。

図５は、第１の隅肉溶接部と第２の隅肉溶接部の区別をする隅肉溶接をした試験片の図である。図５（ａ）は試験片全体の概略であり、図５（ｂ）は、平板１と平行なスカラップを含む面で切断した断面の図５（ａ）の点線部分の拡大図である。図５の試験片では、平板１、補剛材２、３の材質及び大きさは、図４の試験片の場合と同じである。図５の試験片では、溶接ビード４、溶接ビード５、溶接ビード１０、溶接ビード１２をこの順序で形成した後、さらに溶接ビード１１、溶接ビード１３を形成した。図５に示す、第１の隅肉溶接部と第２の隅肉溶接部の区別をする場合を、以降、パターン２と表記する。

図４及び図５において、溶接方法は、炭酸ガス１００％のガスシールド溶接で、用いたワイヤは、１．２ｍｍ径の５９０ＭＰａ用フラックス入りワイヤである。溶接条件は、２８０Ａ−３０Ｖ−３０ｃｍ／ｍｉｎである。

表１には、図４及び図５における近接ビードの間隔Ｗ、補剛材３のスカラップ端部と補剛材２の間隔Ｌａ、補剛材２と溶接ビード１０、１２の端部の間隔Ｌ、及び、溶接後の割れ発生有無についてまとめたものである。

Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３は、パターン１の実施例で、隅肉溶接部を第１の隅肉溶接部と第２の隅肉溶接部の区別をしない場合に対応する。Ｎｏ．１及びＮｏ．２では、変形に伴うひずみが近接ビードの間に集中するため、割れが発生していることが分かる。Ｎｏ．３は、割れが発生していないが、これは、Ｌａが６０ｍｍと間隔が広く、従来技術による割れ対策に対応するものである。

Ｎｏ．４〜Ｎｏ．１１はパターン２の例である。Ｎｏ．４、５は、Ｌが本発明の範囲外となっているため、割れが発生した。すなわち、Ｌが短すぎるために、溶接変形に伴うひずみの分散が不十分であるために割れを防ぐことができなかった場合である。
それに対してＮｏ．６は、Ｌが本発明の範囲内であるため、割れを防止することができた場合である。Ｎｏ．７は、近接ビードの間隔Ｗが１ｍｍの場合であり、Ｌが本発明の範囲外であるために割れが発生したものである。
Ｎｏ．８、Ｎｏ．９は同じＷに対し、Ｌが６０ｍｍ、１２０ｍｍの２つの場合の実施例であり、どちらも割れなしであった。実施例において、Ｌの値を６０ｍｍにするか１２０ｍｍにするかは、割れ防止の観点からは同じであることが分かる。どちらにすべきか、は施工時の状況に従って決定してよく、当業者であれば容易に判断することができる。
Ｎｏ．１０は、Ｎｏ．６の場合の第２の隅肉溶接ビードを形成してから第１の隅肉溶接ビードを形成するまでの時間Δｔをより長くした場合であるが、割れは発生していない。そのため、不必要な長い待ち時間を設定する必要はない。Ｎｏ．１１は、Ｌが本発明の範囲内であるが、Ｌａが６０ｍｍと、もともとスカラップが広いため本発明の範囲外であるものである。この場合は、パターン１のＮｏ．３のように第１の隅肉溶接部と第２の隅肉溶接部の区別をしなくても割れを防止することができるため、本発明に頼る必要はない。

表１に示した実施例から、本発明の溶接方法によれば、近接ビード割れを防止することができることが確認できた。

本発明によれば、補剛材同士が近接する場合でも近接ビード割れを防止することができるため、産業界における価値はきわめて高い。

本発明は、補剛材同士の隅肉溶接部が近接していても割れを防止することができる。従って、構造物によって、スカラップの大きさが十分取れず、溶接ビードが近接してしまう場合においても割れを防止できることができ、産業界における価値はきわめて高い。

１ 平板
２ 補剛材
３ 補剛材
４ 溶接ビード
５ 溶接ビード
６ 溶接ビード
７ 溶接ビード
８ 近接ビード部
９ 近接ビード部
１０ 溶接ビード
１１ 溶接ビード
１２ 溶接ビード
１３ 溶接ビード
１４ 板厚中心
ｒ₀ 板厚中心における曲率半径
ｒ 板表面における曲率半径
ｔ 平板の板厚
Ｌａ 補剛材のスカラップ端部と補剛材の間隔
Ｌ 補剛材と溶接ビードの端部の間隔

Claims (1)

1. 一方の補剛材を他方の補剛材のスカラップを通して平板上に交差して配置して、それぞれの補剛材と平板を隅肉溶接する方法において、
   スカラップを有する補剛材のスカラップ端部と、スカラップを通して配置される補剛材の間隔Ｌａを５０ｍｍ未満とし、
   前記スカラップを有する補剛材の角回し溶接部を含む隅肉溶接部のうち、前記スカラップを通して配置される補剛材と当該スカラップを通して配置される補剛材から５０ｍｍ以上離れた位置との間にある隅肉溶接部を第１の隅肉溶接部とし、
   スカラップを有する補剛材の前記第１の隅肉溶接部以外の隅肉溶接部及びスカラップを通して配置される補剛材の隅肉溶接部を第２の隅肉溶接部とし、
   初めに、第２の隅肉溶接部を隅肉溶接し、該第２の隅肉溶接部の溶接が形成する変形を発生させた後、第１の隅肉溶接部を隅肉溶接することを特徴とする補剛材の隅肉溶接方法。

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