JP6720563B2

JP6720563B2 - 溶接接合構造

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Publication number: JP6720563B2
Application number: JP2016023965A
Authority: JP
Inventors: 博巳平山; 半谷　公司; 公司半谷; 浩資伊藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-02-10
Filing date: 2016-02-10
Publication date: 2020-07-08
Anticipated expiration: 2036-02-10
Also published as: JP2017140634A

Description

本発明は、水平材と鉛直材とを裏当て金を用いて突合せ溶接する溶接接合構造に関するものである。

水平材と鉛直材とを裏当て金を用いて突合せ溶接する溶接接合構造は、その生産性の高さから建築構造や土木構造の接合部では一般的に用いられているが、応力方向に対して直角なノッチが存在する接合構造であるため、溶接終了後に裏当て金をはつる等の処置を施さない限り、作用応力の履歴によりこのノッチを起点とする疲労破壊の可能性が存在する。

通常、水平材と鉛直材とを裏当て金を用いて突合せ溶接する場合、図５に示すように、鉛直材１に溶接すべき水平材２の端部を斜めに切り欠くことによって、水平材２と鉛直材１との間に開先部２ａを設けるとともに、水平材２の下面に沿って設けた裏当て金３のこば面（側端面）を鉛直材１の表面に突き当てた（当接した）うえで、開先部２ａに溶接金属ＷＭを流し込むことによって、水平材２と鉛直材１とを溶接している。なお、裏当て金３は、仮付け溶接ａ，ｂによって水平材２および鉛直材１に仮固定されている。
このような、水平材２と鉛直材１とを裏当て金３を用いて突合せ溶接する溶接接合構造では、裏当て金３のこば面（側端面）４と鉛直材１の表面との間に、ノッチとなる、水平材の応力方向と直交する狭い間隙が不可避的に存在している。
そして、このような溶接接合構造は、間隙における溶接金属ＷＭの溶込深さをｄとし、裏当て金の板厚をｔｂ１とすれば、深さが（ｔｂ１−ｄ）のノッチを有するものとなっている。

ところで、図６（ｂ）に示すように、有限幅Ｗの板において、幅ａの縁き裂（ノッチ）を有しており、き裂（ノッチ）の直角方向に十分遠方で一様引張応力σを受ける場合の、板のき裂（ノッチ）の応力拡大係数Ｋ_Ｉは下式で求められる（非特許文献１参照）。

ここに、Ｆ（λ）：無次元化応力拡大係数、λ＝ａ／Ｗである。
応力拡大係数Ｋ_Ｉは、き裂から十分離れた位置での応力σと、き裂寸法ａによって決まるパラメータであり、この値が大きいほどき裂先端での応力が大きくなり破壊しやすい形状となる。前記式から求められるＫ_Ｉを引張応力σで無次元化した値Ｋ_Ｉ／σと、き裂幅ａと有限幅Ｗの比λの関係は図６（ａ）のようになる。この図に示すように、き裂幅ａ（ノッチ深さ）が大きくなるほど応力拡大係数が大きくなっていくため、ノッチ深さが深いほど破壊が生じ易くなる。

このため、破壊力学の観点からは裏当て金の板厚をできるだけ薄くして、ノッチを小さくすることが望ましいが、裏当て金を薄くしすぎると溶融した溶接金属が裏当て金を貫いて溶け出してしまう可能性が高まる。溶接条件を厳重に管理することで溶接金属の溶込深さを推定して、最適な厚さの裏当て金を適用する方法も考えられるが、溶接金属の溶込量は、電流、電圧、速度、開先形状等の条件により変化し、特に周囲の環境条件がたやすく変化するような建築工事等の現場においては、前述の溶融金属が溶け出すことのないように安全側に十分な厚さを有する裏当て金を用いることが通常である。

また、裏当て金と鉛直材の間のノッチを起点とする破壊を防止するために、ノッチ先端に生じる応力度を低減させる技術として特許文献１が、ノッチそのものを接合部に生じさせない技術として特許文献２および３の技術が各々開示されているが、これらの特許文献１〜３は柱梁接合部のダイアフラムとスキンプレートのエレクトロスラグ溶接による接合部への適用を前提としたものであり、例えばＨ形鋼梁フランジと柱側ダイアフラム又はスキンプレートとのＣＯ_２溶接等のＭＡＧ溶接には適用できない。特に現場溶接により梁フランジを、裏当て金を用いて片側からダイアフラム等へＣＯ_２溶接をする場合は、梁フランジ応力の大きい外面側にノッチが生じるので、このような梁フランジとダイアフラム等の溶接接合構造にできるノッチ先端の応力を低減できる技術が必要とされている。

特開２００５−２７３３９４号公報特開２００３−１１２２７３号公報特開平０８−１５５６６１号公報

野田尚明、「応力拡大係数を用いた接着強度評価について」、フジコー技報−ｔｕｋｕｒｕ、株式会社フジコー技術開発センター、平成２５年１２月１日、Ｎｏ．２１、ｐ１１−１６

上述したように、建築構造等で一般に適用されている裏当て金を用いた水平材と鉛直材とを接合する突合せ溶接は、裏当て金のこば面と鉛直材表面の間の間隙に起因するノッチが必然的に生じる構造であり、このノッチを起点とする破壊を抑制するためには、溶接構造におけるノッチ深さをいかに小さくして、かつ経済性に優れ、溶接施工性を妨げない接合部を実現する技術が必要とされている。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、水平材と鉛直材とを裏当て金を用いて突合せ溶接する溶接接合構造において、裏当て金と鉛直材との間に生じる間隙に起因する応力方向に直交するノッチの深さを小さくすることにより、ノッチ先端の応力拡大係数を低減して溶接接合部の破壊を抑制することができる溶接接合構造を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の溶接接合構造は、水平材を鉛直材に突合せ溶接してなり、
裏当て金を備え、
前記裏当て金の表面は前記水平材の下面に当接され、前記裏当て金のこば面は前記鉛直材の表面に突き当てられており、
前記裏当て金が鉛直方向に積み重ねられた複数の金属板によって構成され、
前記裏当て金への溶接金属の溶込深さが前記裏当て金の全厚さを超えず、かつ前記裏当て金の前記こば面と前記鉛直材の前記表面との突合せ部に生じている間隙に起因するノッチ深さが、前記溶接金属の下端が到達する前記金属板の板厚以下であるとともに、ノッチは溶接方向に平行して存在することを特徴とする。

本発明においては、裏当て金と鉛直材との間に生じる間隙に対する溶込深さに拘らず、ノッチ深さは裏当て金を構成する一枚の金属板の板厚以下となるので、ノッチの深さを小さくすることができる。
したがって、溶接の際の電流、電圧、速度、開先形状等の溶接条件および周囲の環境条件に影響されずにノッチ先端の応力拡大係数を必ず一定以下の値に低減できる。
このように、ノッチ先端の応力拡大係数を低減できるので、溶接接合部の破壊を抑制することができる。

本発明の前記構成において、前記複数の金属板は、結合手段によって、板厚方向については隣接する前記金属板どうしの離間を規制し、かつ、板厚直交方向については少なくとも前記鉛直材に接離する方向の移動を許容するように、結合されていることが好ましい。

このような構成によれば、結合手段によって、複数の金属板が板厚直交方向については少なくとも前記鉛直材に接離する方向の移動を許容するように結合され、板厚直交方向については少なくとも前記鉛直材に接離する方向の移動を許容するように結合されているので、金属板相互間のせん断応力が伝達されることがない。このため、複数の金属板を積層してなる裏当て金が一体として挙動することがないので、ノッチ深さが一枚の金属板の板厚を超えることがなく、ノッチの深さを小さくすることができ、また、裏当て金と水平材の間、および裏当て金と鉛直材の間に溶接施工を妨げるような空隙を発生させることもない。

また、本発明の前記構成において、複数の前記金属板のうち、前記溶接金属が溶け込んでいる金属板の板厚よりも、それ以外の金属板の板厚が厚くなっていてもよい。

このような構成によれば、裏当て金を構成する金属板の数を減らすことができるので、簡単な構成でより経済的に溶接接合構造を得ることができる。

本発明によれば、裏当て金と鉛直材との間に生じる間隙に起因する応力方向に直交するノッチの深さを小さくすることができるので、ノッチ先端の応力拡大係数を低減して溶接接合部の破壊を抑制することができる

本発明の第１の実施の形態に係る溶接接合構造を示すもので、その概略図である。同、裏当て金の斜視図である。本発明の第２の実施の形態に係る溶接接合構造を示すもので、その概略図である。本発明の第３の実施の形態に係る溶接接合構造を示すもので、その概略図である。従来の溶接接合構造の一例を示す概略図である。板のき裂（ノッチ）の応力拡大係数を説明するためのもので、（ａ）はき裂の無次元化幅λとＫ_Ｉ／σとの関係を示すグラフ、（ｂ）は有限幅Ｗの板において、き裂（ノッチ）の直角方向に十分遠方で一様引張応力σを受ける場合を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明に係る溶接接合構造の実施の形態について説明する。
（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態における溶接接合構造を示す概略図である。
図１に示すように、鉛直材１に溶接すべき水平材２の端部を斜めに切欠くことによって、水平材２と鉛直材１との間に略Ｖ字溝状の開先部２ａが設けられている。鉛直材１は、例えば鋼材で形成された柱であり、水平材２は、例えばＨ形鋼で形成された梁のフランジである。

水平材２の端部下面には、当該端部下面に沿って裏当て金１０が設けられている。裏当て金１０の表面（上面）は水平材２の下面に当接され、こば面（側端面）１１は鉛直材１の表面に突き当てられている（当接されている。）。
また、裏当て金１０のこば面１１に対して逆側の側端面と、水平材２の下面とは仮付け溶接ａによって仮固定されている。さらに、裏当て金１０のこば面１１側の下面と、鉛直材１の表面とは仮付け溶接ｂによって仮固定されている。このような仮付け溶接ａ，ｂは、裏当て金１０の長手方向（図１において紙面と直交する方向）に所定間隔で設けられている。
そして、前記開先部２ａに溶接金属ＷＭを流し込むことによって、水平材２と鉛直材１とが溶接されている。この溶接は例えば、ＭＡＧ溶接や炭酸ガスアーク溶接等のアーク溶接によって行われているが、これに限ることはない。

裏当て金１０は、鉛直方向に積み重ねられた複数（本実施の形態では４枚）の金属板１０ａによって構成されている。裏当て金１０の全体の厚さ（板厚ｔｂ１）は、図５に示す従来の裏当て金３とほぼ等しい厚さとなっており、４枚の金属板１０ａはそれぞれ等しい厚さ（板厚ｔｂ２）となっている。したがって、１枚の金属板１０ａの厚さ（板厚ｔｂ２）は、従来の裏当て金３の厚さ（板厚ｔｂ１）の約１／４となっている。

このような裏当て金１０は、水平材２への仮付け溶接ａ等から伝わる応力を、積み重ねられた（積層された）金属板１０ａ，１０ａ相互の間で伝えない構造とする必要がある。このため、図２に示すように、裏当て金１０は、結合手段１５によって、複数（４枚）の金属板１０ａが板厚方向に結合固定され、かつ板厚直交方向に固定されていない状態となっている。すなわち、複数（４枚）の金属板１０ａは、結合手段１５によって、板厚方向については隣接する金属板１０ａ，１０ａどうしの離間を規制し、かつ、板厚直交方向については金属板１０ａ，１０ａどうしの相対的な移動を許容するように、結合されている。なお、板厚直交方向における金属板１０ａの移動の許容は、少なくとも鉛直材１に接離する方向の移動を許容すればよい。
このような結合手段１５によって、裏当て金１０を形成する金属板１０ａは、板厚方向については隣接する金属板１０ａ，１０ａどうしが面接触で常に密着して相互に離間しない一方で、板厚直交方向については隣接する金属板１０ａ，１０ａどうしの相対的な移動が可能となっている。

結合手段１５は以下のような構成となっている。
すなわち、結合手段１５は、水平材２に当接する面の金属板１０ａの表面および鉛直材１に当接する全ての金属板１０ａのこば面に連続して形成された溝状の切欠き１５ａと、この切欠き１５ａに当該切欠き１５ａに沿って設けられるともに、４枚の金属板１０ａの全体に巻き付けることで、積層してなる複数（４枚）の金属板１０ａを板厚方向に一体化する針金等の結束線１５ｂとを備えている。なお、切欠き１５ａは、水平材２に当接する面と反対側の金属板１０ａの表面（下面）および鉛直材１に当接しない側の全ての金属板１０ａのこば面には形成されていないが、形成してもよい。

切欠き１５ａは、裏当て金１０の長手方向に離間して、２箇所設けられており、各切欠き１５ａの幅および深さは、結束線１５ｂの太さ（直径）より深くなっている。したがって、切欠き１５ａに設けられた結束線１５ｂは、水平材２に当接する裏当て金１０の表面（上側の金属板１０ａの表面）から突出することなく、かつ、鉛直材２に当接するこば面１１から突出することがない。
このような結束線１５ｂは、積層してなる複数（４枚）の金属板１０ａに巻き付けるようにして、切欠き１５ａに設けられている。結束線１５ｂの締付け力は、複数（４枚）の金属板１０ａを板厚方向に結合固定し、かつ板厚直交方向に固定しない程度に設定する。したがって、複数（４枚）の金属板１０ａは、金属板相互間のせん断応力が伝達されることがなく、板厚直交方向にフリー（スライド可能）な状態となる。

このような裏当て金１０を用いた溶接接合構造では、図１に示すように、裏当て金１０への溶接金属ＷＭの溶込深さが裏当て金１０の全厚さ（板厚ｔｂ１）を超えず、かつ裏当て金１０と鉛直材１との突合せ部に生じている間隙において、溶込深さｄ、すなわち溶接金属ＷＭが複数（４枚）の金属板１０ａのうちのいずれか一つの金属板１０ａの板厚内まで溶け込んでいる。具体的には、本実施の形態では、溶接金属ＷＭが複数（４枚）の金属板１０ａのうちの最も上側の金属板１０ａの板厚（ｔｂ２）内まで溶け込んでおり、溶け込んだ溶接金属ＷＭの下端は、最も上側の金属板１０ａの下面まで達しておらず、かつ、前記隙間において、溶接金属ＷＭが複数（４枚）の金属板１０ａのうちのいずれか一つの金属板１０ａの板厚内まで溶け込んでいる。
したがって、前記間隙に起因するノッチ深さは裏当て金１０を構成する最も上側の金属板１０ａの板厚（ｔｂ２）以下となるので、ノッチの深さは従来に比して小さくなる。

以上のように、本実施の形態によれば、裏当て金１０と鉛直材１との間に生じる間隙に対する溶込深さｄに拘らず、ノッチ深さは裏当て金１０を構成する一枚の金属板１０ａの板厚（ｔｂ２）以下となるので、ノッチの深さを小さくすることができる。
したがって、溶接の際の電流、電圧、速度、開先形状等の溶接条件および周囲の環境条件に影響されずにノッチ先端の応力拡大係数を必ず一定以下の値に低減できる。
このように、ノッチ先端の応力拡大係数を低減できるので、溶接接合部の破壊を抑制することができる。

また、結合手段１５によって複数（４枚）の金属板１０ａが板厚直交方向に固定されていないので、金属板相互間のせん断応力が伝達されることがない。このため、複数（４枚）の金属板１０ａを積層してなる裏当て金１０が一体として挙動することがないので、ノッチ深さが一枚の金属板１０ａの板厚を超えることがなく、ノッチの深さを従来に比べて小さくすることができる。
また、結合手段１５によって複数（４枚）の金属板１０ａが板厚方向に結合固定され、かつ板厚直交方向に固定されていないので、裏当て金１０と水平材２の間、および裏当て金１０と鉛直材１の間に溶接施工を妨げるような空隙を発生させることもない。

（第２の実施の形態）
図３は第２の実施の形態における溶接接合構造を示す概略図である。
図３に示す溶接接合構造が、図１に示す第１の実施の形態の溶接構造と主に異なる点は、裏当て金１０が３枚の金属板で構成されている点あるので、以下ではこの点について説明し、第１の実施の形態と共通部分には同一符号を付して、その説明を省略ないし簡略化する。

本実施の形態では、裏当て金１０は、鉛直方向に積み重ねられた３枚の金属板１０ａ，１０ａ，１０ｂによって構成されている。３枚の金属板１０ａ，１０ａ，１０ｂのうち、溶接金属ＷＭの溶込深さが到達する２枚の金属板１０ａ，１０ａそれぞれの板厚ｔｂ２よりも、溶接金属ＷＭの溶込深さが到達しない金属板１０ｂの板厚ｔｂ３が厚くなっている。
具体的には、裏当て金１０を構成する最も下側に位置する金属板１０ｂの厚さ（板厚ｔｂ３）が、金属板１０ａの厚さ（板厚ｔｂ２）の約２倍となっている。このような、複数（３枚）の金属板１０ａ，１０ａ，１０ｂは、第１の実施の形態と同様の結合手段１５（図３には図示していない。）によって、板厚方向に結合固定され、かつ板厚直交方向に固定されていない。

また、このような裏当て金１０を用いた溶接接合構造では、図３に示すように、裏当て金１０への溶接金属ＷＭの溶込深さが裏当て金１０の全厚さｔｂ１を超えず、かつ裏当て金１０と鉛直材１との突合せ部に生じている間隙において、溶接金属ＷＭが溶込深さｄ、すなわち複数（３枚）の金属板１０ａ，１０ａ，１０ｂのうち、最も上側の金属板１０ａの板厚ｔｂ２を超えて、上から２層目の金属板１０ａの板厚ｔｂ２内まで溶け込んでおり、溶け込んだ溶接金属ＷＭの下端は、２層目の金属板１０ａの下面まで達していない。
このため、前記間隙に起因するノッチ深さは裏当て金１０を構成する２層目の金属板１０ａの板厚ｔｂ２以下となるので、ノッチの深さは従来に比して小さくなる。

したがって、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができるのは勿論のこと、金属板１０ｂの板厚は、破壊に関わるノッチ深さには影響しないので、金属板１０ａより厚い板厚ｔｂ３とすることができる。このため、裏当て金１０を構成する金属板の数を減らすことができるので、より経済的に溶接接合構造を得ることができる。

（第３の実施の形態）
図４は第３の実施の形態における溶接接合構造を示す概略図である。
本実施の形態は、本発明をエレクトロスラグ溶接による溶接接合構造に適用したものである。なお、第１の実施の形態と共通部分には同一符号を付して、その説明を省略ないし簡略化する。

図４に示すように、鉛直材１と水平材２と裏当て金１０とによって開先部２０が設けられている。
水平材２の端部下面および端部上面には、それぞれ裏当て金１０が設けられている。下側の裏当て金１０の表面（上面）は水平材２の下面に当接され、こば面（側端面）１１は鉛直材１の表面に突き当てられている（当接されている。）。
上側の裏当て金１０の表面（下面）は水平材２の下面に当接され、こば面（側端面）１１は鉛直材１の表面に突き当てられている（当接されている。）。
また、下側の裏当て金１０のこば面１１に対して逆側の側端面と、水平材２の下面とは仮付け溶接ａによって仮固定され、上側の裏当て金１０のこば面１１に対して逆側の側端面と、水平材２の上面とは仮付け溶接ａによって仮固定されている。
このような仮付け溶接ａは、裏当て金１０の長手方向（図４において紙面と直交する方向）に所定間隔で設けられている。
そして、前記開先部２０にエレクトロスラグ溶接方法によって、溶接金属ＷＭを流し込むことによって、水平材２と鉛直材１とが溶接されている。

裏当て金１０は、第１の実施の形態と同様に、鉛直方向に積み重ねられた複数（本実施の形態では４枚）の金属板１０ａによって構成され、１枚の金属板１０ａの厚さ（板厚ｔｂ２）は、従来の裏当て金３の厚さ（板厚ｔｂ１）の約１／４となっている。
また、４枚の金属板１０ａは、第１の実施の形態と同様の結合手段１５（図４には図示していない。）によって、板厚方向に結合固定され、かつ板厚直交方向に固定されていない。

このような裏当て金１０を用いた溶接接合構造では、裏当て金１０への溶接金属ＷＭの溶込深さが裏当て金１０の全厚さ（板厚ｔｂ１）を超えず、かつ裏当て金１０と鉛直材１との突合せ部に生じている間隙において、溶接金属ＷＭが、溶込深さｄ、すなわち水平材２に当接している金属板１０ａの板厚ｔｂ２を超えて、当該金属板１０ａに重ねられている２層目の金属板１０ａの板厚ｔｂ２内まで溶け込んでいる。そして、溶け込んだ溶接金属ＷＭの上下端は、それぞれ上側の裏当て金１０の２層目の金属板１０ａの上面まで達しておらず、下側の裏当て金１０の２層目の金属板１０ａの下面まで達していない。
したがって、前記間隙に起因するノッチ深さは裏当て金１０を構成する金属板１０ａの板厚（ｔｂ２）以下となるので、ノッチの深さは従来に比して小さくなる。

したがって、本実施の形態でも、第１の実施の形態と同様に、ノッチ深さは裏当て金１０を構成する一枚の金属板１０ａの板厚（ｔｂ２）以下となるので、ノッチの深さを小さくすることができる。
よって、溶接の際の電流、電圧、速度、開先形状等の溶接条件および周囲の環境条件に影響されずにノッチ先端の応力拡大係数を必ず一定以下の値に低減できるので、溶接接合部の破壊を抑制することができる。

なお、前記第１〜第３の実施の形態では、複数の金属板１０ａ，１０ｂを結合する結合手段１５として、溝状の切欠き１５ａと結束線１５ｂとを備えた構成としたが、これに限ることはない。
例えば、積層された上下の金属板の接合面の一方に凹部を設けるとともに、他方に凸部を設け、これらを板厚方向に結合し、かつ板厚直交方向に固定しないように嵌合させてもよい。この場合、金属板は、板厚直交方向については少なくとも鉛直材に接離する方向の移動を許容すればよいので、凹部は、金属板の幅方向（図１、図３および図４において左右方向）に延在する断面台形状のあり溝とし、凸部はあり溝に摺動可能に嵌合する断面台形状の突条とすればよい。
また、結合手段による複数の金属板の結合は、板厚方向については隣接する前記金属板どうしの離間が規制され、かつ、板厚直交方向については、各金属板が少なくとも鉛直材に接離する方向に移動可能に結合されていれば、各金属板の板厚直交方向については、鉛直材に接離する方向以外の方向への移動を許容するものであってよい。

１鉛直材
２水平材
１０裏当て金
１０ａ，１０ｂ金属板
１５結合手段
ＷＭ溶接金属

Claims

水平材を鉛直材に突合せ溶接してなる溶接接合構造であって、
裏当て金を備え、
前記裏当て金の表面は前記水平材の下面に当接され、前記裏当て金のこば面は前記鉛直材の表面に突き当てられており、
前記裏当て金が鉛直方向に積み重ねられた複数の金属板によって構成され、
前記裏当て金への溶接金属の溶込深さが前記裏当て金の全厚さを超えず、かつ前記裏当て金の前記こば面と前記鉛直材の前記表面との突合せ部に生じている間隙に起因するノッチ深さが、前記溶接金属の下端が到達する前記金属板の板厚以下であるとともに、ノッチは溶接方向に平行して存在することを特徴とする溶接接合構造。
前記複数の金属板は、結合手段によって、板厚方向については隣接する前記金属板どうしの離間を規制し、かつ、板厚直交方向については少なくとも前記鉛直材に接離する方向の移動を許容するように、結合されていることを特徴とする請求項１に記載の溶接接合構造。
複数の前記金属板のうち、前記溶接金属が溶け込んでいる金属板の板厚よりも、それ以外の金属板の板厚が厚いことを特徴とする請求項１または２に記載の溶接接合構造。