JP7364867B2 - 溶接継手およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接継手およびその製造方法に関する。

突き合わせられた２枚の金属板の片面側（表面側）から突合せ溶接する場合、金属板（主板）の裏面に裏当て金を予め取り付けて溶接することが一般的である。裏当て金を用いて片面溶接を行う場合、応力集中部となる溶接ルート部の裏当て金と主板との間のスリットの先端部位に溶接を施している。しかし、輸送管や建築鉄骨の柱などの様に人が内側に入ることのできない中空部材や容器などでは、溶接施工や疲労き裂発生防止対策を金属板の裏面側（内側）から施すことができない。

そこで、例えば下記特許文献１から特許文献４には、突き合わせられる鋼板や鋼管の端部に曲げ加工を施すことで鋼板や鋼管の面外に張り出した開先を形成し、突き合わせ溶接する方法が開示されている。また、下記特許文献５および特許文献６には、開先の一部を鋼板の面外に張り出した形状に成型して溶接する方法が開示されている。これらの技術によれば、主板から裏面側に滑らかに張り出す形で裏当て金となる張り出し部が形成されるため、裏面から溶接を施す必要はない。

特開平０９－１６４４９６号公報 特開２００９－７４０号公報 特開平１１－１０３８３号公報 特開昭５９－９２１６７号公報 特開２００９－３４６９６号公報 特開昭５９－７０４６６号公報

しかし、上記特許文献１から特許文献６に記載の技術では、張り出し部の寸法を加味して突き合わせられる鋼板同士の間隔を精密に制御する必要がある。例えば、突き合わせられる鋼板同士の間隔が大きすぎればアークがルート側から抜けてしまうために溶接が難しくなり、当該間隔を小さくしようして鋼板同士を近付け過ぎると互いの張り出し部が邪魔になり、所定の場所に溶接継手を収めることができない場合がある。

そこで、本発明は、片面突合せ溶接を行う際に突き合わせられる金属板同士の間隔の施工誤差による溶接施工への影響が軽減され得る溶接継手およびその製造方法を提供することを課題とする。

本発明は、下記の溶接継手およびその製造方法を要旨とする。

（１）それぞれが表面及び裏面を有する一対の金属板であって、互いの端部間に開先を有するように突き合わせられ、前記端部において前記裏面側に張り出した張り出し部を有する一対の金属板と、
前記開先のルート側に配置された入れ金と、
前記開先に充填されている溶接金属と、
を備える、溶接継手。
（２）前記入れ金、前記金属板及び前記溶接金属の境界線の交点を三重点とし、
前記一対の金属板のうち一方の金属板側の三重点と他方の金属板側の三重点とを結ぶ線分の中点から前記一方の金属板側の三重点までの距離の、前記一方の金属板の材軸方向に平行な成分をＸ１とし、
前記一方の金属板側の三重点から前記一方の金属板の張り出し部の根元までの距離の、前記一方の金属板の材軸方向に平行な成分をＸ２とし、
前記一方の金属板の前記裏面と、前記一方の金属板側の三重点を含む前記裏面に平行な面と、の距離をＹとするとき、
下記式：
Y/X2-｛(Y/X1)^－1/4｝/5≧-0.08
を満たす、上記（１）に記載の溶接継手。
（３）前記一対の金属板の少なくとも一方の金属板の前記表面側の溶接トウ部に、深さが０．１ｍｍ以上かつ０．５ｍｍ以下であり、幅が１．５ｍｍ以上の溝状のピーニング処理部を有する、上記（１）または（２）に記載の溶接継手。
（４）それぞれが表面及び裏面を有し且つそれぞれの端部において前記裏面側に張り出した張り出し部を有する一対の金属板を、互いの前記張り出し部を含む端面の間に開先が形成されるように突合せる突き合わせ工程と、
前記開先のルート側に入れ金を配置する配置工程と、
前記開先に溶接金属を充填する溶接工程と、
を備える溶接継手の製造方法。
（５）前記入れ金、前記金属板及び前記溶接金属の境界線の交点を三重点とし、
前記一対の金属板のうち一方の金属板側の三重点と他方の金属板側の三重点とを結ぶ線分の中点から前記一方の金属板側の三重点までの距離の、前記一方の金属板の材軸方向に平行な成分をＸ１とし、
前記一方の金属板側の三重点から前記一方の金属板の張り出し部の根元までの距離の、前記一方の金属板の材軸方向に平行な成分をＸ２とし、
前記一方の金属板の前記裏面と、前記一方の金属板側の三重点を含む前記裏面に平行な面と、の距離をＹとするとき、
下記式：
Y/X2-｛(Y/X1)^－1/4｝/5≧-0.08
を満たす、上記（４）に記載の溶接継手の製造方法。
（６）前記溶接工程の後、前記一対の金属板の少なくとも一方の金属板の前記表面側の溶接トウ部に、深さが０．１ｍｍ以上かつ０．５ｍｍ以下であり、幅が１．５ｍｍ以上の溝状のピーニング処理部を形成する、上記（４）又は（５）に記載の溶接継手の製造方法。

本発明によって、片面突合せ溶接を行う際に突き合わせられる金属板同士の間隔の施工誤差による溶接施工への影響が軽減され得る溶接継手およびその製造方法を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る溶接継手を模式的に示す側面図である。 図２は、本発明の実施形態に係る溶接継手の溶接部の詳細を示す側面図である。 図３は、張り出し部の形成方法の一例を模式的に示す側面図である。 図４は、各種継手モデルの公称応力に対する三重点の材軸方向応力を示した図である。 図５は、関数Ｆにより得られるＦ値と三重点の応力倍率との関係を示した図である。

以下、本発明の実施形態に係る溶接継手およびその製造方法について説明する。

（溶接継手）
本実施形態に係る溶接継手は、それぞれが表面及び裏面を有する一対の金属板であって、互いの端部間に開先を有するように突き合わせられ、前記端部において前記裏面側に張り出した張り出し部を有する一対の金属板と、前記開先のルート側に配置された入れ金と、前記開先に充填されている溶接金属と、を備える。

図１は、本発明の実施形態に係る溶接継手を模式的に示す側面図である。図１に示す溶接継手１００は、第１金属板１、第２金属板２、溶接金属部３および入れ金５を主な構成として備えている。

第１金属板１および第２金属板２は、それぞれが表面及び裏面を有し端部で溶接可能な材料であれば特に限定されないが、例えば板状または管状である。第１金属板１および第２金属板２の一対の金属板は、互いに突き合わせられる側の端部間に開先を有する。また、第１金属板１および第２金属板２は、互いに突き合わせられる側の端部において裏面側に張り出した張り出し部４を有する。

第１金属板１および第２金属板２は、張り出し部４を除く部位において所定の厚さを有する。第１金属板１および第２金属板２の厚さは特に限定されないが、例えば３～２００ｍｍの厚みを有してもよい。図１では、第１金属板１および第２金属板２の厚さが同一である例を示しているが、第１金属板１および第２金属板２の厚さは互いに異なっていてもよい。

図１では、第１金属板１および第２金属板２が同一面上に配置される例を示しているが、第１金属板１および第２金属板２は、互いに異なる面上に配置されてもよく、互いに非平行に配置されてもよい。第１金属板１および第２金属板２の材料は特に限定されないが、それぞれ、例えば、鋼材、アルミニウム、ステンレス等からなる。

本実施形態の溶接継手によれば、第１金属板１の一方の端部と第２金属板２の一方の端部とを突き合せる際に、開先の寸法に関して施工誤差があったとしても溶接施工への影響が軽減され得る。そのため、開先の寸法は特に限定されるものではないが、例えば、第１金属板１または第２金属板２の板厚の１～２００％としてもよい。開先の寸法は、第１金属板１または第２金属板２の材軸方向に平行な方向において最も短い長さである。

溶接金属部３は、上記のように互いの端部が突き合わせられる第１金属板１および第２金属板２のそれぞれの端面によって形成される開先に充填された溶接金属からなる。

入れ金５は、開先のルート側に配置される。入れ金５が開先内のルート側に配置されることにより、溶接の際に溶接金属がルート側から漏れ出ることを抑制することができる。

入れ金５を構成する材料は、張り出し部４を含む第１金属板１および第２金属板２と溶接によって接合される材料であれば特に限定されないが、例えば鋼材、アルミニウム、ステンレス等であることができ、好ましくは、第１金属板１及び第２金属板２と同種の材料である。

入れ金５の形状は、溶接の際に溶接金属がルート側から漏れ出さないように開先内のルート側に配置可能であれば、特に限定されるものではなく、図１に示すように楔形状若しくは逆三角形の断面形状、または逆台形、四角形、菱形、円形、楕円形等の断面形状を有することができる。本願において、断面とは、第１金属板１及び第２金属板２の材軸方向及び板厚方向に平行に、溶接継手の中心軸を通るように切断した面をいう。

入れ金５の寸法は、溶接の際に溶接金属がルート側から漏れ出さないように開先内のルート側に配置可能であれば、特に限定されるものではないが、入れ金５の第１金属板１または第２金属板２の材軸方向に平行な方向の最大長さは、好ましくは、第１金属板１または第２金属板２の板厚の１０～１００％であり、第１金属板１または第２金属板２の板厚方向に平行な方向の最大長さが、好ましくは、第１金属板１または第２金属板２の板厚の１２～１２５％である。

入れ金５は、入れ金５の断面形状において細い部分が第１金属板１及び第２金属板２の裏面側に配置されるように、開先内に配置され得る。

入れ金５は、好ましくは楔形状または略逆台形の断面形状を有する。図１では、入れ金５の細い側の先端が尖っているが、入れ金５の先端は必ずしも尖っている必要はなく、入れ金５の断面形状は略逆台形でもよい。入れ金５が、楔形状または略逆台形の断面形状を有する場合、入れ金５が、開先の形状、すなわち第１金属板１および第２金属板２の張り出し部４同士の隙間の形状に整合しやすく、開先を効率的に埋めて固定され得る。

図１では、入れ金５の太い側の端面が第１金属板１および第２金属板２の表面と平行になっているが、入れ金５の太い側の端面は、第１金属板１および第２金属板２の表面と非平行でもよく、曲面等となっていてもよい。

溶接の際に溶接金属がルート側から漏れ出さない程度の隙間が、開先内における入れ金５の側面と第１金属板１および第２金属板２との間に形成されていてもよい。後述する三重点よりも第１金属板１および第２金属板２の裏面側において、入れ金５の側面と張り出し部４とが溶接されず、隙間（スリット）が形成されてもよい。

入れ金５は、好ましくは、入れ金５の側面が第１金属板１及び第２金属板２の開先角度と実質的に同等の角度を有する。入れ金５は、より好ましくは、入れ金５の側面が第１金属板１および第２金属板２の開先角度と実質的に同等の角度を持ち、入れ金５が開先間に隙間なく配置される形状を有する。入れ金５が、前記好ましい形状を有することにより、入れ金５は、開先をより良好に埋めて固定され得る。

入れ金５は、溶接方向において一体物である必要はない。入れ金５は、開先のルート側から溶接アークが吹き抜けない程度に開先内に詰め込むことができれば、溶接方向に分割されていてもよい。施工誤差によってルート部の開口量（第１金属板１および第２金属板２の間隔）が位置によって異なる場合、寸法が互いに異なる入れ金５を複数用意し、それらを開先内に配置することによって、溶接金属部３の全ての部位において溶接金属の十分な溶け込み深さを確保し得る。

好ましくは、本実施形態の溶接継手は、前記入れ金、前記金属板及び前記溶接金属の境界線の交点を三重点とし、前記一対の金属板のうち一方の金属板側の三重点と他方の金属板側の三重点とを結ぶ線分の中点から前記一方の金属板側の三重点までの距離の、前記一方の金属板の材軸方向に平行な成分をＸ１とし、前記一方の金属板側の三重点から前記一方の金属板の張り出し部の根元までの距離の、前記一方の金属板の材軸方向に平行な成分をＸ２とし、前記一方の金属板の前記裏面と、前記一方の金属板側の三重点を含む前記裏面に平行な面と、の距離をＹとするとき、
下記式：
Y/X2-｛(Y/X1)^－1/4｝/5≧-0.08
を満たす。
以下に、本実施形態の溶接継手の溶接部の寸法について説明する。

図２は、本実施形態の溶接継手の溶接部を示す側面模式図である。図２には、本実施形態における溶接継手の溶接部の各部の寸法を示している。

図２において、Ｐ１は、第１金属板１、溶接金属部３および入れ金５の交点である三重点である。Ｐ２は、第２金属板２、溶接金属部３および入れ金５の交点である三重点である。

Ｘ１は、２つの三重点Ｐ１、Ｐ２を結ぶ線分の中点Ｐ３から第２金属板２側の三重点Ｐ２までの、第２金属板２の材軸方向距離である。Ｘ２は、三重点Ｐ２から張り出し部４の根元までの、第２金属板２の材軸方向距離である。張り出し部４の根元とは、金属板裏面における屈曲開始位置をいう。

ベベル角度φは、溶接前における第２金属板２の開先（図２中の破線）の、第２金属板２の板厚ｔ方向に引いた直線Ｌに対する鋭角の角度である。

Ｙは、第２金属板２の裏面と、第２金属板２側の３重点Ｐ２を通る第２金属板２の裏面に平行な面と、の距離である。すなわち、Ｙは、溶接金属の溶け込み深さである。

図２において、Ｘ１、Ｘ２、ベベル角度φ、及びＹは第２金属板２側について記載しているが、第１金属板１側についても同様に考えることができる。

三重点近傍Ｐ１、Ｐ２近傍においては、応力集中しやすく、疲労亀裂、延性亀裂、または脆性亀裂が発生しやすい。疲労亀裂、延性亀裂、または脆性亀裂の発生を抑制するために、三重点への応力流入を小さくすることが必要である。

三重点への応力流入を小さくするためには、溶接金属部３において溶接金属の溶け込みをルート側で可能な限り深くすることが好ましい。溶接金属の溶け込みが深いほど、三重点がルート側で深くなり応力が三重点に流れにくくなる（回り込みにくくなる）。

溶接金属の溶け込みがルート側で可能な限り深くなるように、溶接金属の溶け込み深さＹを、入れ金５の挿入深さでコントロールすることが好ましい。入れ金５の挿入深さをコントロールしやすくする観点から、溶接のベベル角度φは１５°以上が好ましい。また、下記に説明する寸法Ｘ１及びＸ２を小さくするために、溶接のベベル角度φは４５°以下程度であることが好ましく、３０°以下であることがより好ましい。

三重点への応力流入を小さくするために、張り出し部４の肉厚は、必要最小限に薄くすることが好ましい。すなわち、寸法Ｘ１及びＸ２はできるだけ小さいことが好ましい。寸法Ｘ１及びＸ２が小さいほど、三重点に応力が流れにくくなる。ただし、寸法Ｘ２は、溶接によって溶け落ちない程度の厚みを確保されることが好ましい。

寸法Ｘ１は、寸法Ｘ２よりも、三重点への応力流入防止への寄与率は比較的小さいが、三重点への応力流入を小さくするために、寸法Ｘ１も小さい方が好ましい。２つの三重点Ｐ１、Ｐ２を結ぶ線分の中点Ｐ３から第２金属板２側の三重点Ｐ２までの、第２金属板２の材軸方向距離である寸法Ｘ１も、張り出し部４の肉厚に関係するためである。

すなわち、三重点への応力流入を小さくするためには、溶接金属の溶け込み深さＹは大きいほど好ましく、Ｘ１及びＸ２の寸法は小さいほど好ましい。

Ｙ、Ｘ１、及びＸ２の寸法を変更しながら、公称応力に対する三重点の材軸方向応力を有限要素法(ＦＥＭ）を用いて解析し、公称応力に対する三重点における応力の倍率を三重点応力倍率として算出することができる。Ｙ、Ｘ１、及びＸ２の寸法を変更したときの三重点応力倍率１～２の範囲に対して、Ｙで正規化したＹ／Ｘ２及びＹ／Ｘ１をパラメーターとして変化する関数Ｆを求めることができる。

関数Ｆは、三重点のスリットの先端（亀裂先端）に流入する応力と関連する比率Ｙ／Ｘ２と比率Ｙ／Ｘ１とをパラメーターとする関数であり、下記式１を満たすことが好ましく、下記式２を満たすことがより好ましいことを知見した。下記式１及び下記式２は、Ｙ、Ｘ１、及びＸ２の寸法と公称応力に対する三重点の材軸方向応力との関係について行ったＦＥＭ解析結果に基づいて導出した。
Y/X2-｛(Y/X1)^－1/4｝/5≧-0.08 （式１）
Y/X2-｛(Y/X1)^－1/4｝/5≧0.16 （式２）

式１を満たす場合は、三重点応力倍率は２以下となる。式２を満たす場合は、三重点応力倍率が１以下となる。

上記式を満たすようにＹ、Ｘ１、及びＸ２を調整して溶接継手１００を形成することにより、三重点Ｐ１、Ｐ２近傍への応力流入を小さくすることができ、三重点Ｐ１、Ｐ２近傍での疲労亀裂、延性亀裂、及び脆性亀裂の発生を抑制することができる。すなわち、溶接継手１００の疲労強度及び破壊強度が高められ得る。

第１金属板１および第２金属板２の板厚ｔについては、溶接ルート部の応力分布にほとんど影響しないことから影響因子に含めない。

ベベル角度φについては、三重点応力倍率が２を超える領域での関数Ｆにより得られる値（以下、Ｆ値とも言う）と三重点応力倍率との直線関係に対するバラつきに多少影響があるだけで、実際の溶接で用いられる開先角度の範囲では全体的な傾向に影響しないため、影響因子に含めない。

溶接金属の溶け込み深さＹは、好ましくは第１金属板１または第２金属板２の板厚の５～２０％の深さである。Ｙが前記好ましい範囲にあることにより、溶接金属の体積を大きくしすぎずに施工することができる。

寸法Ｘ２は、好ましくは第１金属板１または第２金属板２の板厚の１５～５０％である。寸法Ｘ２が前記好ましい範囲にあることにより、第１金属板または第２金属板からの張り出し部４の根元及びその近傍への応力集中を回避しながら、Ｘ２を小さくすることができる。

寸法Ｘ１は、好ましくは第１金属板１または第２金属板２の板厚の５～３０％である。寸法Ｘ１が前記好ましい範囲にあることにより、入れ金５が溶け落ちずにＸ１を小さくすることができる。

第１金属板１の開先形状と第２金属板２の開先形状とは左右対称または左右非対称でもよい。第１金属板１のベベル角度φと第２金属板２のベベル角度φとは左右対称または左右非対称でもよい。また、第１金属板１の材軸方向と第２金属板２の材軸方向とは互いに異なっていてもよい。すなわち、第１金属板１に対して第２金属板２が傾斜していてもよい。これらの場合において、第１金属板１および第２金属板２の少なくとも一方で上記式１または式２を満たすことが好ましく、第１金属板１および第２金属板２の両方で上記式１または式２を満たすことがより好ましい。

好ましくは、本実施形態の溶接継手１００は、第１金属板１および第２金属板２の少なくとも一方の金属板の表面側の溶接トウ部に、ピーニング処理部６を有する。ピーニング処理部６は、例えば、溶接金属部３の表面側の溶接トウ部にピーニング処理を施すことによって形成される。

ピーニング処理部６は、好ましくは、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の深さ及び１．５ｍｍ以上の幅を有する溝形状を有する。

ピーニング処理部６に替えて、グラインダー等の研削工具によって溶接止端部の平坦化処理部が形成されてもよい。溶接金属部３の表面側止端部において、グラインダー等によって曲率加工を施して応力集中を低減させたり、ピーニング処理部６を形成して圧縮残留応力を導入したりすれば、溶接継手としてより良い疲労強度が得られる。

第１金属板１及び第２金属板２の裏面側の張り出し部の根元及びその近傍は応力集中部となりやすいため、好ましくは、第１金属板１及び第２金属板２の裏面側の張り出し部の根元及びその近傍の少なくとも一方にグラインダー処理部またはピーニング処理部を有する。裏面側の張り出し部の根元及びその近傍へのグラインダー処理またはピーニング処理は、溶接前に行うことができる。

Ｘ１、Ｘ２、ベベル角度φ、及びＹ、並びにピーニング処理部の寸法は、マクロ組織観察（ＪＩＳ Ｇ ０５５３：２００８）によって確認することができる。具体的には、溶接継手から試料を採取し、観察面を機械研磨、バフ研磨で鏡面に仕上げ、エッチングを施し、溶接金属と母材（熱影響部を含む）との境界を現出させて、肉眼または拡大鏡による観察を行う。三重点Ｐ１（第１金属板及び溶接金属の境界線の交点）及び三重点Ｐ２（第２金属板及び溶接金属の境界線の交点）は、それぞれ、第１金属板及び第２金属板と、入れ金とが溶融して一体化している部分（溶接された部分）と溶接されていない部分との境界であり、断面形状から特定することができる。

（溶接継手の製造方法）
次に、本実施形態に係る溶接継手の製造方法について説明する。

本実施形態に係る溶接継手の製造方法は、それぞれが表面及び裏面を有し且つそれぞれの端部において前記裏面側に張り出した張り出し部を有する一対の金属板を、互いの前記張り出し部を含む端面の間に開先が形成されるように突合せる突き合わせ工程と、
前記開先のルート側に入れ金を配置する配置工程と、
前記開先に溶接金属を充填する溶接工程と、
を備える。

本実施形態の溶接継手の製造方法は、突き合わせ工程、配置工程、及び溶接工程を有する。以下、これらの工程について説明する。

突き合わせ工程に先立って、まず、図１に示すように、突き合わせられる第１金属板１および第２金属板２のうち突き合わせられる側のそれぞれの先端を裏面側に張り出させて張り出し部４を形成する。

図３は、第１金属板に張り出し部４を形成する方法の一例を示す側面模式図である。張り出し部４の形成方法としては、例えば、図３に示す様に、第１金属板１の開先の機械加工時に、第１金属板１の裏面側の一部を第１金属板１の裏面と平行に伸ばした形状の開先を作製し、この伸ばした部分を塑性変形させて裏面側に曲げる方法が考えられる。第２金属板２についても同様に張り出し部４を形成することができる。この様にして張り出し部４を形成する方法は、第１金属板１および第２金属板２の全厚を曲げ加工する必要がないため、第１金属板１および第２金属板２が極厚部材であっても適用し得る。

また、張り出し部４を形成する他の方法として、張り出し部４となる金属板を第１金属板１および第２金属板２のそれぞれの裏面側端部に溶接する方法も考えられる。

突き合わせ工程においては、上記のようにそれぞれの端部において裏面側に張り出した張り出し部４を有する第１金属板１および第２金属板２を、互いの張り出し部４を含む端面の間に開先が形成されるように突合わせる。

配置工程においては、第１金属板１および第２金属板２の張り出し部４を含む端面の間に形成された開先のルート側に入れ金５を配置する。好ましくは、第１金属板１および第２金属板２の表面側から入れ金５を挿入し、開先のルート側に配置する。このようにして、溶接の際に溶接金属がルート側から漏れ出さないように、開先の少なくとも一部が入れ金５によって埋められる。入れ金５を配置することにより、開先の寸法、すなわち突き合わせられる第１金属板１および第２金属板２の端部間の間隔に多少の施工誤差があったとしても、溶接の際に溶接金属がルート側から漏れ出さないように開先の少なくとも一部を埋めることができる。

上記のように入れ金５を配置した後、溶接工程において、第１金属板１および第２金属板２の突き合わせられる側の端面によって形成される開先に溶接金属を充填し、溶接金属部３を形成する。

溶接金属部３は、第１金属板１および第２金属板２の表面側から開先のルート側に配置された入れ金上に溶接材料を溶融させて溶接を行うことにより形成する。溶接方法は特に限定されず、例えば、アーク溶接を採用することができる。また、溶接金属は、第１金属板１および第２金属板２の表面側と裏面側とにおいて、面外位置まで張り出すように盛り付けられることが好ましい。すなわち、溶接金属は、第１金属板１および第２金属板２の表面を含む平面と第１金属板１および第２金属板２の裏面を含む平面とで挟まれる領域の外側まで張り出すように盛り付けられることが好ましい。

好ましくは、本実施形態の溶接継手の製造方法は、前記入れ金、前記金属板及び前記溶接金属の境界線の交点を三重点とし、前記一対の金属板のうち一方の金属板側の三重点と他方の金属板側の三重点とを結ぶ線分の中点から前記一方の金属板側の三重点までの距離の、前記一方の金属板の材軸方向に平行な成分をＸ１とし、前記一方の金属板側の三重点から前記一方の金属板の張り出し部の根元までの距離の、前記一方の金属板の材軸方向に平行な成分をＸ２とし、前記一方の金属板の前記裏面と、前記一方の金属板側の三重点を含む前記裏面に平行な面と、の距離をＹとするとき、
下記式：
Y/X2-｛(Y/X1)^－1/4｝/5≧-0.08
を満たす。

好ましくは、本実施形態の溶接継手の製造方法は、前記溶接工程の後、前記一対の金属板の少なくとも一方の金属板の前記表面側の溶接トウ部に、深さが０．１ｍｍ以上かつ０．５ｍｍ以下であり、幅が１．５ｍｍ以上の溝状のピーニング処理部を形成することを含む。

ピーニング処理工程は、溶接工程の後に上記ピーニング処理部６を形成する工程である。ピーニング処理工程は必須の工程ではない。また、ピーニング処理工程に替えて、上記のようにグラインダー等の研削工具によって溶接止端部に平坦化処理が施されてもよい。

（本実施形態の効果）
本実施形態に係る溶接継手１００によれば、入れ金５が用いられることによって、片面突合せ溶接を行う際に突き合わせられる第１金属板１および第２金属板２の間隔の施工誤差による溶接施工への影響が軽減され得る。

また、本実施形態に係る溶接継手１００の好ましい実施形態によれば、上記式１または式２を満たす入れ金５及び張り出し部４を有する金属板を用いることによって、溶接金属の溶け込み不良欠陥がより抑制され、疲労強度や破壊強度がより高い溶接継手とされ得る。

本発明の溶接継手における疲労亀裂や延脆性破壊に対する効果を検討するに当たり、様々な寸法の溶接継手についてＦＥＭ解析を行い三重点の応力を評価した。

図４に、一対の金属板として、４５２ＭＰａの降伏応力を有する強度５９０ＭＰａ級の板厚が２０ｍｍの鋼材を用いた場合において、第１金属板１の開先形状と第２金属板２の開先形状とを左右対称として、ベベル角度φ、溶け込み深さＹ、及び張り出し部の肉厚Ｘ２の３つをパラメーターとして変化させたときの部材公称応力に対する三重点の材軸方向応力との関係を、二次元弾塑性ＦＥＭ解析により求めた結果を示す。図４は、ＦＥＭ解析による、三重点の要素（スリット状の未溶着部の先端の要素）の積分点（三重点に最も近い積分点）応力を示している。

図４中の記号は、評価した溶接継手の各部寸法を表しており、Ｗ、Ｎはベベル角度φ（Ｗ：３５°、Ｎ：２２°）を示し、Ｗ、Ｎに続く数字は溶け込み深さＹのレベル（１が浅く４が深い）を示し、ハイフンの後の数値は張り出し部の肉厚Ｘ２のレベル（１が厚く３が薄い）を示していている。

表１に、上記記号、試験体各部の寸法、及び解析結果を示す。

表１の上記解析結果とは、試験体各部の寸法に基づくＦ値と三重点応力倍率との関係である。以下に、三重点応力倍率の基準及び関数Ｆの算出方法について説明する。

局所的に塑性変形が開始すると応力が下がるので、応力集中が最も高い条件となる解析モデル全体がほぼ弾性変形条件になる公称応力２００ＭＰａの場合の結果から三重点応力倍率（三重点応力／公称応力）を求め、これが２以下になる条件が好ましいと考えた。この理由は次の通りである。

弾塑性材料では亀裂先端の応力が通常降伏応力の３倍以上にもなることから、一般の強度が４９０ＭＰａ級の鋼材でも亀裂先端の応力は１４００ＭＰａを超える。そのため、溶接部の脆性破壊防止の観点から、亀裂状の未溶着部先端の三重点応力はできるだけ低減させたい。また、溶接部からの疲労破壊防止の観点から、たとえば日本鋼構造協会の鋼構造物の疲労設計指針において、２００万回繰り返し負荷を許容する応力範囲は、溶接のない機械仕上げされた鋼板でも１９０ＭＰａである。したがって、継ぎ手の疲労設計では、鋼材強度によらず応力範囲が２００ＭＰａを超えるような設計は行わないのが一般的である。

図４の解析結果は、４５２ＭＰａの降伏応力を有する強度５９０ＭＰａ級の鋼材についての結果であることから、公称応力２００ＭＰａの２倍で降伏応力よりやや低い４００ＭＰａ以下、すなわち三重点応力倍率が２以下を効果の目安として設定した。さらに望ましいのは、三重点応力が公称応力の２００ＭＰａ以下になる条件、すなわち三重点応力倍率が１以下となる条件であり、この条件では、この三重点よりも先に他の部位において疲労亀裂が生じると考えられる。

この解析結果をもとに、三重点応力と公称応力との関係に及ぼす影響因子として溶け込み深さＹと寸法Ｘ１、Ｘ２との関係に着目して検討し、三重点応力倍率が１～２の範囲において、Ｙで正規化したＹ／Ｘ２及びＹ／Ｘ１をパラメーターとして簡単な式の形で変化する関数Ｆ：
F=Y/X2-｛(Y/X1)^－1/4｝/5
を算出し、関数Ｆにより得られるＦ値によって三重点の応力レベルを判定できることを見出した。この結果を図５に示す。図５は、Ｆ値と三重点応力倍率との関係を表すグラフである。

この判定方法によれば、図５から、前述の疲労に有効な条件応力４００ＭＰａと破壊しない条件２００ＭＰａに対応するＦは、下記式を満たすことがわかる。
F=Y/X2-｛(Y/X1)^－1/4｝/5≧-0.08（F≧0.16がより望ましい。）

なお、第１金属板１および第２金属板２の板厚ｔについては、ほとんど影響しないことから影響因子に含めなかった。

図５に示すように、特に評価が必要となるのは、三重点応力倍率が１～２の範囲を中心としたその前後を含む領域と考えられる。この領域ではＦ値と三重点応力倍率は良く対応している。よって、Ｆ値による判定の有効性が示されているといえる。

また、ベベル角度φの影響を検討したところ、図５の三重点応力倍率が２を超える領域でのＦ値と三重点応力倍率との直線関係に対するバラつきに多少影響が見られただけで、実際の溶接で用いられる開先角度の範囲では全体的な傾向に影響しなかった。

本発明によれば、各種鋼構造物の現場突合せ溶接など、ルートギャップの施工誤差が大きく、片面からしか溶接できない場合でも、疲労強度や破壊強度の高い片面突合せ溶接継手部を容易に施工できるようになる。

１ 第１金属板
２ 第２金属板
３ 溶接金属部
４ 張り出し部
５ 入れ金
６ ピーニング処理部
ｔ 金属板の板厚
Ｐ 三重点（入れ金、金属板（張り出し部は金属板の一部）、及び溶接金属の境界線の交点）
Ｙ 溶け込み深さ（金属板の裏面と三重点を含む前記裏面に平行な面との距離）
Ｘ１ ２つの三重点を結ぶ線分の中点から一方の三重点までの金属板材軸方向距離
Ｘ２ 三重点から張り出し部の根元までの金属板材軸方向距離
φ ベベル角度
１００ 溶接継手

Claims (8)

1. それぞれが表面及び裏面を有する一対の金属板であって、互いの端部間に開先を有するように突き合わせられ、前記端部において前記裏面側に張り出した張り出し部を有する一対の金属板と、
   前記開先のルート側に配置された入れ金と、
   前記開先に充填されている溶接金属と、
   を備える、溶接継手。
2. 前記入れ金が、楔形状または略逆台形の断面形状を有する、
   請求項１に記載の溶接継手。
3. 前記溶接金属が、前記一対の金属板の表面を含む平面と、前記一対の金属板の裏面を含む平面とで挟まれる領域の外側まで張り出すように盛り付けられている、
   請求項１又は２に記載の溶接継手。
4. 前記入れ金、前記金属板及び前記溶接金属の境界線の交点を三重点とし、
   前記一対の金属板のうち一方の金属板側の三重点と他方の金属板側の三重点とを結ぶ線分の中点から前記一方の金属板側の三重点までの距離の、前記一方の金属板の材軸方向に平行な成分をＸ１とし、
   前記一方の金属板側の三重点から前記一方の金属板の張り出し部の根元までの距離の、前記一方の金属板の材軸方向に平行な成分をＸ２とし、
   前記一方の金属板の前記裏面と、前記一方の金属板側の三重点を含む前記裏面に平行な面と、の距離をＹとするとき、
   下記式：
   Y/X2-｛(Y/X1)^-1/4｝/5≧-0.08
   を満たす、請求項１～３のいずれか１項に記載の溶接継手。
5. 前記一対の金属板の少なくとも一方の金属板の前記表面側の溶接トウ部に、深さが０．１ｍｍ以上かつ０．５ｍｍ以下であり、幅が１．５ｍｍ以上の溝状のピーニング処理部を有する、請求項１～４のいずれか１項に記載の溶接継手。
6. それぞれが表面及び裏面を有し且つそれぞれの端部において前記裏面側に張り出した張り出し部を有する一対の金属板を、互いの前記張り出し部を含む端面の間に開先が形成されるように突合せる突き合わせ工程と、
   前記開先のルート側に入れ金を配置する配置工程と、
   前記開先に溶接金属を充填する溶接工程と、
   を備える、
   前記開先のルート側に前記入れ金が配置された溶接継手の製造方法。
7. 前記入れ金、前記金属板及び前記溶接金属の境界線の交点を三重点とし、
   前記一対の金属板のうち一方の金属板側の三重点と他方の金属板側の三重点とを結ぶ線分の中点から前記一方の金属板側の三重点までの距離の、前記一方の金属板の材軸方向に平行な成分をＸ１とし、
   前記一方の金属板側の三重点から前記一方の金属板の張り出し部の根元までの距離の、前記一方の金属板の材軸方向に平行な成分をＸ２とし、
   前記一方の金属板の前記裏面と、前記一方の金属板側の三重点を含む前記裏面に平行な面と、の距離をＹとするとき、
   下記式：
   Y/X2-｛(Y/X1)^-1/4｝/5≧-0.08
   を満たす、請求項６に記載の溶接継手の製造方法。
8. 前記溶接工程の後、前記一対の金属板の少なくとも一方の金属板の前記表面側の溶接トウ部に、深さが０．１ｍｍ以上かつ０．５ｍｍ以下であり、幅が１．５ｍｍ以上の溝状のピーニング処理部を形成する、請求項６又は７に記載の溶接継手の製造方法。

Images