JP6505359B2 - Ｚｎ系めっき鋼板製部材のアーク溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｚｎ系めっき鋼板製の型鋼を切断した部材に、部材加工を行う現場あるいは溶接作業を行う施工現場等で簡単な塑性加工を施すことにより、接合部の溶接部材間の間隔を確実に確保してブローホールのない健全な溶接部を得ることができるアーク溶接方法に関する。

Ｚｎめっき鋼板同士、あるいはＺｎ系めっき鋼板と鋼板をアーク溶接により接合する場合、双方の隙間を設けずに溶接すると、溶接時に気化したＺｎ蒸気が溶接金属中に残留してブローホールを生じる。ブローホールは溶接継手の強度を損なう懸念があることから、溶接長さに占めるブローホール長さの和を例えば３０％程度以下に抑制することが好ましい。

Ｚｎ系めっき鋼板の溶接においてブローホールを防止する方法として、溶接する双方の部材の間に若干の隙間を設けることが有効である。引用文献１によれば、１ｍｍ弱程度の隙間を設けることによりブローホールを抑制できるとの結果が報告されている。また、部材の溶接部近傍を曲げ加工により凸部を設けて隙間を確保する方法が特許文献１に開示されている。部材の素材となる板材として両面全体に最大高さ０．０５〜０．３ｍｍの突起を所定の密度で配置した鋼板を用いることで隙間を確保する方法が特許文献２に開示されている。

「亜鉛めっき鋼板のアーク溶接―気孔欠陥と溶接作業に及ぼす影響因子―」，溶接技術，２００６年１０月号，ｐ１２５，図４

特開昭６２−１７９８６９号公報 特開平０５−２１２４０５号公報

Ｚｎ系めっき鋼板製部材の用途分野の一つとして住宅などの構造材が挙げられる。このような構造材は、Ｚｎ系めっき鋼板を素材とした溝形鋼やリップ溝形鋼等の軽量形鋼を溶接等の接合手段により組立てたものが多く用いられている。このように汎用のＺｎ系めっき鋼板製軽量形鋼を溶接用途に使用する場合、特許文献１に開示されているように部材に予め凸部を設ける方法や、特許文献２に開示されているように表面に突起を配置した鋼板を適用することは、技術的あるいは経済的な理由により困難である。

また、軽量形鋼を切断する際に突起を残して切断することも可能である。しかし、加工可能な部位が長手方向端面に限られること、専用の切断金型を要することから任意の継手形状に対応することができず、また高価な金型が必要となるといった問題がある。

部材の仮組みの際に、スペーサを用いて部材の隙間を確保する、あるいは治具を用いて部材の隙間を確保した状態で仮固定するといった方法も可能である。しかし、前者は作業が煩雑となること、後者は慎重な作業が要求されること、ならびに溶接中の熱ひずみにより予め設定した隙間が変化すること等の問題がある。

本発明は、以上のような問題点を解決し、Ｚｎ系めっき鋼板のアーク溶接を行う場合に、簡単且つ経済的な方法で種々の継手形状に対応可能な隙間設定方法を提供するものである。

本発明にかかるＺｎ系めっき鋼板のＴ字継手溶接法は、その目的を達成するため、Ｚｎ系めっき鋼板同士あるいはＺｎ系めっき鋼板と鋼板をＴ字継手にてアーク溶接する際に、一方の鋼板製部材の長手方向あるいは幅方向の端面に塑性変形により形成された１つ以上の突起を設け、突起を設けた鋼板製部材を、該突起を介して他方の鋼板の表面に突き当てることにより、他方の鋼板表面と一方の鋼板製部材の端部に該突起の突き出し量に相当する隙間を設け、該当接部分を、塑性加工により形成された突起の全てが溶融して溶融金属の中に溶け込んでしまうように、アーク溶接によりＴ字突合せ接合することを特徴とする。

また、本発明にかかるＺｎ系めっき鋼板の重ね隅肉継手の溶接法は、その目的を達成するため、Ｚｎ系めっき鋼板同士あるいはＺｎ系めっき鋼板と鋼板を重ね隅肉継手にてアーク溶接する際に、一方の鋼板製部材の端部表面に塑性変形によって形成された１つ以上の突起を設け、突起を設けた鋼板製部材を、該突起を介して他方の鋼板の表面に重ね合せることにより、他方の鋼板表面と一方の鋼板製部材の表面に該突起の突き出し量に相当する隙間を設け、該当接部分を、塑性加工により形成された突起の全てが溶融して溶融金属の中に溶け込んでしまうように、アーク溶接により重ね隅肉接合することを特徴とする。

本発明により加工した、溝形鋼である部材１ａの長手方向端部の端面方向に形成された突起２ａの例及びその拡大図 図１に示した溝形鋼である部材１ａの長手方向端部の端面方向に突起２ａを形成するための構成の説明図 図１に示した溝形鋼である部材１ａの長手方向端部の端面方向に突起２ａを形成するためのもう一つの構成を示す説明図 本発明により加工した、溝形鋼である部材１ｂの長手方向の表面に形成された突起２ｂの例ならびに突起２ｂを形成するための構成の説明図 図４に示した部材１ｂの長手方向端部の表面に形成された突起２ｂの拡大図 長手方向端部の端面に突起２ａが形成された溝形鋼である縦部材１ａを溝形鋼である横部材１ｃのウエブ表面に突き当てたＴ字溶接継手部の例を示す説明図 長手方向端部の表面に突起２ｂが形成された溝形鋼である上部材１ｂを溝形鋼である下部材１ｄのウエブ表面に載置した重ね隅肉溶接継手部の例を示す説明図 長手方向端部の端面に突起２ａが形成された一方の溝形鋼である部材１ａと、幅方向端部の端面方向に突起２ａが形成された他方のリップ溝形鋼である部材（１ａ）を組合せた溶接継手の例を示す説明図 図６に示した溝形鋼である継手部をアーク溶接により接合したＴ字溶接継手の外観図 図７に示した溝形鋼である継手部をアーク溶接により接合した重ね隅肉溶接継手の外観図 ９０°Ｖ型パンチで加工した突起の形状例を示す図 図１１に示した突起のつぶし率と高さ６ａの関係を示す図 突き合わせ部の隙間（ルートギャップ）とブローホール数の関係を示す図

図１に、本発明による部材１ａの長手方向端部の端面方向に形成された突起２ａ及びその拡大図を示す。また図２に、部材１ａの長手方向端部の端面方向に突起２ａを形成するための構成を示す。端面に面した領域を表裏より塑性圧縮して厚みを減じて、その際に発生する圧縮方向と直行する方向の塑性流動を利用して自由境界である端面方向に突起２ａを形成する。

表裏面より圧縮する工具として図２に示すような部材１ａの表面との接触面積の狭いパンチ３と接触面積の広いアンビル４（金床）を用いると、接触面圧の高いパンチ３と接触している面のみが陥没して、図１に示すような形状の突起２ａが得られる。端面から突起の先端までの距離で定義される突き出し量６ａは、工具により排除された材料の体積に依存することから、パンチ３と部材１ａの表面との接触面積とパンチ３の押し込み量（パンチ３とアンビル４の間隔）を選択することで突き出し量６ａを調整することが出来る。
なお、図では、パンチ３の先端形状が丸い平面形状であるが、その平面型は丸型に限らず、半丸型、矩形、台形等でも良く、さらに先端が平坦でないＶ字の楔形状あるいはその先端にＲが設けられたもの等でもよい。

図３には、部材１ａの長手方向端部の端面方向に突起を形成するためのもう一つの構成を示す。工具形状としては、このように互いに狭い領域を圧下するパンチ３を対向させて加工を行ってもよい。

図４には、部材１ｂの長手方向端部の表面に突起２ｂを形成するための構成を、また図５に、部材１ｂの表面に形成された突起２ｂの拡大図を示す。図２、図３に示したアンビル４に換えてパンチ３に対向する表面に窪みを設けたダイ５を使用することにより、パンチ３により押し込まれた材料が厚み方向に圧縮されることなくダイ５の窪みの中にせん断変形を伴って移動し、パンチ３の反対側の部材表面に突起２ｂが形成される。この加工は、一般的に半抜き加工と呼ばれる。このように部材１ｂの表面に突起を形成する方法においては工具により部材１ｂの厚みを減じるような変形がほとんど生じないことから、部材１ｂ表面と突起の先端の距離で定義される突き出し量６ｂは部材１ｂ表面に対するパンチ３の押し込み量とほぼ等しくなる。

図６に、４個の突起２ａが形成された縦部材１ａを、横部材１ｃの表面に突き当てたＴ字溶接継手の例を示す。突起２ａにより縦部材１ａの端面と、横部材１ｃの表面の間に突起２ａの突き出し量に相当する隙間が確実に形成され、該隙間部を炭酸ガスアーク溶接等により溶接することでブローホールの少ない溶接部が得られる。

図７に、外側表面に突起２ｂが形成された上部材１ｂを、下部材１ｄの外側表面に直交して載置した重ね隅肉溶接継手の例を示す。突起２ｂにより上部材１ｂの外側表面と、下部材１ｄの外側表面との間に突起２ｂの突き出し量に相当する隙間が確実に形成され、突起２ｂが設けられた上部材１ｂの端部を炭酸ガスアーク溶接等により重ね隅肉溶接することでブローホールの少ない溶接部が得られる。

図１から図７は部材の長手方向端面に突起を形成する方法について説明しているが、幅方向端面についても同様の加工を行って突起を形成することが可能である。幅方向の端部に突起を形成した例として、図８に長手方向端部の端面に突起２ａが形成された一方の部材１と、幅方向端部の端面方向に突起２ａが形成された他方の部材を組合せた溶接継手の例を示す。本例についても、図６及び図７に示した例と同様に溶接継手部に突起２ａの突き出し量に相当する隙間が形成されることから、ブローホールの少ない健全な溶接部が得られる。

図９には、図６に示した部材１ａと部材１ｃをアーク溶接により接合したＴ字継手の外観を示す。また、図１０には、図７に示した上部材１ｂと下部材１ｄをアーク溶接により接合した重ね隅肉継手の外観を示す。部材に設けた突起により部材間の隙間を確保して溶接を行っても、突起は溶接時に溶融して溶接金属の中に溶け込んでしまう。そのため、この図９または図１０に示すように、溶接後の継手の外観は、突起を設けない部材から製造した継手と同様である。

図１１には、９０°Ｖ型で先端に１．５ｍｍのＲが設けられたパンチと平坦なアンビルとの間で板の端面から約１．５ｍｍの範囲を板厚方向に圧縮することにより、端面に形成された突起の外観を示す。元の板厚に対するパンチの押込み量（横軸、潰し率）と突起の高さ（縦軸）の関係を図１２に示す。この図より、例えば３０％厚みを減じるようにパンチを圧下することにより、ブローホールの削減に有効な隙間１ｍｍに相当する大きさの突起が得られる。

図１３は半抜きせん断加工によって種々の突出量の図５に示す突起を設けた板厚２．３ｍｍ、付着量４５ｇ／ｍ^２（片面）の合金化溶融亜鉛めっき鋼板を、図７に示す重ねすみ肉溶接継手の上部材１ｂとして用い、炭酸ガスアーク溶接法により溶接電流２２０Ａ、溶接速度毎分１２０ｃｍの条件で水平重ねすみ肉溶接した際に、溶接ビードに発生したブローホール数を突起高さ（ルートギャップ）で整理した結果である。

ウエブ幅１５０ｍｍ、フランジ高さ５０ｍｍ、公称板厚４．５ｍｍ、片面めっき付着量４５ｇ／ｍ^２の、亜鉛−６％アルミニウム−３％マグネシウム溶融めっき鋼板製溝形鋼の一方の長手方向端部のウエブ部に２箇所、左右フランジ部に各１箇所について、夫々端面から約１．５ｍｍの領域を先端角度９０°、先端Ｒ＝１．５ｍｍのパンチ３と対向するアンビル４で挟み込むことによって元厚の約３０％押し潰して厚さを減じ、押し潰した領域の端面部分に図１１に示すような形状の突起高さ約１ｍｍの突起２ａを形成した。この４箇所の突起部が形成された溝形鋼端部を縦部材１ａとして、横部材となる同寸法の片面めっき付着量４５ｇ／ｍ^２の、亜鉛−６％アルミニウム−３％マグネシウム溶融めっき鋼板製溝形鋼１ｃのウエブ外面に図６に示すような状態で双方が直交するように突き当てて、縦部材先端と横部材のウエブ表面に約１ｍｍの隙間を有するＴ字突合せ継手を構成した。この隙間を含む突合せ部を、溶接電流１４０Ａ、溶接速度毎分４０ｃｍの条件で炭酸ガスアーク溶接したところ、ブローホールの発生率（溶接長に対するブローホールの投影長さの和）は約７％であった。突起を設けないで同様にアーク溶接した場合、約４０％のブローホール率であった。

本発明によるアーク溶接用部材とＺｎ系めっき鋼板のアーク溶接法によれば、軽量形鋼を切断した部材の溶接箇所に簡単な作業により突起を形成することで、確実に部材間の隙間を確保できるのでブローホールのない溶接部を得ることができる。また、突起を形成する加工作業は、簡易な工具により可能であり、しかも溶接現場で施工できるので、作業性にも優れる。

１ 被溶接部材
１ａ Ｔ字継手の縦部材
１ｂ 重ね隅肉継手の上部材
１ｃ Ｔ字継手の横部材
１ｄ 重ね隅肉継手の下部材
２ａ 突起 （端面方向）
２ｂ 突起 （表面方向）
３ パンチ
４ アンビル（金床）
５ ダイ
６ａ、６ｂ 突き出し量

Claims (1)

1. 少なくとも一方の部材にＺｎ系めっきが被覆されている二つの部材の当接部を接合して重ね隅肉継手を形成するアーク溶接方法であって、
   二つの部材のうち、部材の表面が当接部となる部材を下部材、部材の端面部が当接部となる部材を上部材と呼ぶとき、
   上部材の端面部に厚み方向に半抜きせん断する塑性加工により下部材に対向する面に対して隆起する１つ以上の突起を設け、上部材をその突起を介して下部材に重ね合わせることにより、上部材と下部材の間に突起の突き出し量に相当する大きさの隙間を形成した後に、塑性加工により形成された上記の突起の全てが溶融して溶融金属の中に溶け込んでしまうように上記の当接部に対してアーク溶接を行うことを特徴とするＺｎ系めっき鋼板のアーク溶接方法。

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