(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸部(3）と溶接部(4) を有する金属製の溶接ジベル(1) をスタッド溶接機(20)に把持して被溶接材(2) に溶接固定するスタッド溶接法において、
平坦な底面(9) を有すると共に、貫通孔(10)またはアークスタッド溶接中に溶融して貫通する程度の厚さの底部(23)が残存する凹陥部(22)を有し、さらにその貫通孔(10)または凹陥部(22)がアークスタッド溶接に際して溶接ジベル(1) の軸部(3) および溶接部(4) との間にアークを生じない溶接ジベル(1) と溶着できる大きさを有する金属製の拡大ブロック体(7) を用意し、該拡大ブロック体(7) を被溶接材(2) の表面にその底面(9) を接触させて配置し、さらに溶接ジベル(1) を挿通する挿通孔(12)を有し底部から不活性ガスを吹き出すようになされた不活性ガス供給治具(11)により前記拡大ブロック体(7) の貫通孔(10)または凹陥部(22)の上部を覆うと共に、前記挿通孔(12)に挿通させた溶接ジベル(1) の溶接部(4) を貫通孔(10)または凹陥部(22)内に挿入してその先端を被溶接材(2) の表面または、底部(23)の表面に接触させ、不活性ガス供給治具(11)から貫通孔(10)または凹陥部(22)内に不活性ガスを供給し、スタッド溶接機(20)を起動してスタッド溶接することにより、溶接ジベル(1) を被溶接材(2) と拡大ブロック体(7) に溶接固定するスタッド溶接法。
【請求項２】
スタッド溶接に際してスタッド溶接機２０に連結された押圧体１７により不活性ガス供給治具１１の上面を押圧する請求項１のスタッド溶接法。
【請求項３】
不活性ガス供給治具１１の挿通孔１２と溶接ジベル１の軸部３との間にガスを流通させる間隙１２ａが設けられている請求項１または請求項２のスタッド溶接法。
【請求項４】
溶接ジベル１における少なくとも拡大ブロック体７の貫通孔１０または凹陥部２２に挿入される部分の周囲がフラックス層６ａで被覆されている請求項１〜請求項３のいずれかのスタッド溶接法。
【請求項５】
少なくとも拡大ブロック体７の底面９にアモルファス箔２４またはアモルファス粉末を配置した請求項１〜請求項４のうちいずれかのスタッド溶接法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鋼部分とコンクリート部分の結合部材などに使用される金属製の溶接ジベルを使用するスタツド溶接法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
建物の鉄骨梁上にコンクリート床を形成する場合や鋼橋梁上にコンクリート床を形成する場合などのように、鋼部分とコンクリート部分を結合して鋼とコンクリートの複合構造を形成する際には、両者間を強固に結合するための結合部材として金属製の溶接ジベルが一般に使用される。
溶接ジベルは拡大された頭部を持つ棒状の軸部の先端に溶接部を設けた構造を有しており、それをスタッド溶接により鋼部分に所定間隔で多数固着立設し、その上からコンクリート部分を形成する。形成された鋼とコンクリートとの複合構造の鋼部分に固着立設された溶接ジベルは、その頭部がコンクリートの軸線方向の引張応力に抵抗する機能を有し、軸部がコンクリートの剪断応力に抵抗する機能を有する。
【０００３】
しかしこのように軸部とその端に設けられた溶接部の断面積が同じ寸法とされた溶接ジベルは、剪断応力に対する支持特性が充分でないという問題があった。すなわち、溶接ジベルの剪断応力に対して要求される特性は、鋼部分への溶接部分が破壊されず、且つその軸部の破壊変形量が充分に大きいことである。しかし上記の溶接ジベルは、溶接部分の破壊耐力を高めるためその軸部の断面積を大きくすると、軸部の剛性が高くなって破壊変形量が不充分となり、コンクリート部分にひび割れなどの破損を生じる原因になる。逆に破壊変形量を大きくするために軸部の断面積を小さくすると、溶接部分の破壊耐力が低下して鋼部分とコンクリート部分の結合力を弱める。
このような問題を解決するものとして、軸部とそれより断面積の大きな溶接部からなる溶接ジベルが提案されている。（特開平５−１５６７２０号公報）
【０００４】
これは、図８に示すような軸部が先端まで同一直径の一般の溶接ジベルの剪断破壊に比べて、図９に示すような軸部先端が膨大したものの方が剪断破壊に対する耐力が大きいことを実証したものである。そして、図８に示すような軸部先端まで同一直径の溶接ジベル１を被溶接材２にスタッド溶接したものと、図９に示すような溶接ジベル１の先端部が膨大したものを被溶接材２にスタッド溶接したものの剪断破壊に対する耐力を測定すると、図７に示すような特性になる。すなわち点線で示す図８の溶接ジベルの特性と実線で示す図９の溶接ジベルの特性とでは、図９の溶接ジベルの方が初期剛性が大幅に大きくになると共に最大耐力も僅かに大きくなる。さらに剪断破壊が引張破壊の形態となり、破壊モードが延性破壊になる。そして剪断破壊が引張破壊で且つ軸部における破壊となるため、耐疲労性も向上する。
なお破壊時のずれ変形（変形能力）はおおむね同一であることが判っている。また、剪断力が小さい範囲では図９の改良型溶接ジベルの方が変形量が小さい特徴もある。そして図８の溶接ジベルでは、その剪断破壊部分が溶接部に現れる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記提案された溶接ジベルは、剪断応力に対する支持特性は改善されているが、溶接ジベルを特殊な形状に構成しなければならないという新たな問題が発生する。すなわち、使用する材料が多くなると共に溶接ジベルの軸部の先端を拡大するための加工を必要とし、そのため大幅なコストアップが避けられない欠点があった。
そこで本発明は、剪断応力に対する支持特性が改善されると共に、このような溶接ジベルの構造上の問題を解決できるスタッド溶接法を提供することを課題とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、軸部３と溶接部４を有する金属製の溶接ジベル１をスタッド溶接機２０に把持して被溶接材２に溶接固定するスタッド溶接法である。
この方法においては、平坦な底面９を有すると共に、貫通孔１０またはアークスタッド溶接中に溶融して貫通する程度の厚さの底部２３が残存する凹陥部２２を有し、さらにその貫通孔１０または凹陥部２２がアークスタッド溶接に際して溶接ジベル１の軸部３および溶接部４との間にアークを生じないが溶接ジベル１と溶着できる大きさを有する金属製の拡大ブロック体７を用意し、それを被溶接材２の表面にその拡大ブロック体７の底面９を接触させて配置する。
【０００７】
さらに、溶接ジベル(1) を挿通する挿通孔(12)を有し底部から不活性ガスを吹き出すようになされた不活性ガス供給治具(11)により前記拡大ブロック体(7) の貫通孔(10)または凹陥部(22)の上部を覆うと共に、前記挿通孔(12)に挿通させた溶接ジベル(1) の溶接部(4) を貫通孔(10)または凹陥部(22)内に挿入してその先端を被溶接材(2) の表面または、底部(23)の表面に接触させる。次に、その状態で不活性ガス供給治具(11)から貫通孔(10)または凹陥部(22)内に不活性ガスを供給し、スタッド溶接機(20)を起動してスタッド溶接することにより、溶接ジベル(1) を被溶接材(2) と拡大ブロック体(7) に溶接固定することを特徴とするものである。
上記方法の好ましい実施態様においては、不活性ガス供給治具(11)がスタッド溶接機(20)に連結された押圧体(17)によりその治具(11)の上面に押圧される。
【０００８】
上記方法の別の好ましい実施態様においては、不活性ガス供給治具１１の挿通孔１２と溶接ジベル１の軸部３との間にガスを流通させる間隙１２ａが設けられる。
上記方法のさらに別の好ましい実施態様においては、溶接ジベル１における少なくとも拡大ブロック体７の貫通孔１０または凹陥部２２に挿入される部分の周囲がフラックス層６ａで被覆される。
さらに別の好ましい実施態様においては、拡大ブロック体７の底面９にアモルファス箔２４またはアモルファス粉末を塗布または散布する。そのアモルファスにより、拡大ブロック体７の底面９と被溶接体２との間において拡散溶接が行われる。
【０００９】
【作用】
本発明のスタッド溶接法によれば、簡単な溶接ジベルの構造にも係わらず、前記特開平５−１５６７２０号公報に記載されたものと同様な効果、すなわち、予定される最大剪断応力に対してその溶接部分が破壊されず、且つその軸部の破壊変形量を充分に大きくできるという効果を奏する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に図面により、本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明のスタッド溶接法を説明するための一部破断正面図で、図２はその要部を分解して示した斜視図である。これらの図において、先ず本発明のスタッド溶接法に使用する各部品について説明すると、溶接ジベル１は例えば鋼材などの金属材料を切削又は鍛造加工して作られ、軸部３と溶接部４が軸線方向に順に一体的に形成されている。さらに溶接部４の反対側の軸部３の端部にそれより断面積の大きい頭部５が一体的に形成されている。なお、これらは溶接により相互に固着して作ることもできる。さらに頭部５以外の軸部３及び溶接部４を切削加工により一体的に作り、それに頭部５を溶接してもよい。
【００１１】
溶接ジベル１の軸部３，溶接部４および頭部５は、軸線に対して回転対称に形成されている。しかし、軸部３や頭部５の断面を例えば正方形のような矩形、または５角形や６角形のような多角形とすることもできる。
さらに溶接部４は先端に向かって断面の縮小する円錐台形状とされており、その先端中央部には半球状の凹部が形成され、その凹部に例えばアルミニウム製で球状の電極６が打ち込まれて固着されている。なお、軸部３の直径と長さの比は１：３．５〜１：１５程度が好ましい。
【００１２】
拡大ブロック体７は溶接ジベル１と同じ材料、例えば鋼材などの金属材料を切削加工して作ることができる。この拡大ブロック体７は平坦な上面８と底面９を有するリング状に形成され、中央部に円形断面の貫通孔１０を有している。
拡大ブロック体７の挿通孔１０は、アークスタッド溶接に際して溶接ジベル１の軸部３または溶接部４との間にアークを生じないが溶接ジベル１と溶着できる大きさの内径を有し、この挿通孔１０の内周面と軸部３との間隙は通常２〜３ｍｍ程度とされる。さらに、溶接ジベル１の軸部３の直径と拡大ブロック７の外径の比は１：２〜１：３程度であり、その高さの比は１：０．５以上である。
【００１３】
拡大ブロック体７の貫通孔１０の上部を覆うようにして不活性ガス供給治具１１が配置される。不活性ガス供給治具１１はセラミック材のような耐熱性のある材料で作られ、中央部に溶接ジベルを挿通する円形断面の挿通孔１２を有するリング状に形成され、アルゴンガスや炭酸ガスのような不活性ガスが配管１３から入口１４を経て内部に導入され、底部の吹出口１５から吹き出される。さらにこの不活性ガス供給治具１１の上部および下部にはそれぞれ段差部１６，１６ａが形成されており、段差部１６に押圧体１７の押圧リング１８が嵌合され、段差部１６ａに前記拡大ブロック体７の貫通孔１０の上縁部が嵌合される。
上記挿通孔１２は溶接ジベル１の軸部３との間に僅かな間隙１２ａを確保できる内径を有しており、該間隙１２ａにより溶接中に供給される不活性ガスおよび発生ガスが外部に放出される。
なお、押圧リング１８からは垂直に連結部１９が延長され、該連結部１９の先端部がスタッド溶接機２０にネジ結合等により着脱自在に連結されている。
【００１４】
この例ではスタッド溶接した後に溶接ジベル１から不活性ガス供給治具１１を分離するために、不活性ガス供給治具１１は軸線を中心として例えば２つ分割できるように構成されている。しかし溶接ジベル１の頭部５が軸部３より拡大されていないときには、このような分割手段は必要としない。
一方、スタッド溶接機２０には図示しないアークスタッド溶接機本体より電源が供給され、そのチャック２１には溶接ジベル１の頭部５が着脱自在に把持される。
図３は拡大ブロック体７の他の例を示す断面図であり、平坦な上面８と底面９を有するブロックの中央部に上方へ開口する円形断面の凹陥部２２が形成されている。この凹陥部２２は円柱状の金属ブロックを加工してアークスタッド溶接中に溶融して貫通する程度の厚さの底部２３を残存させて形成される。この図３の拡大ブロック体７も図１と同様に使用される。このときのアークスタッド溶接は、溶接ジベル１と凹陥部２２の底部２３との間で起こり、座部２３が溶融する。その結果、溶接ジベル１と被溶接体２と拡大ブロック７とが一体に接合される。
【００１５】
図４は本発明に使用される溶接ジベル１の他の例を示す部分拡大図である。この溶接ジベル１は先端に向かって断面積の縮小するテーパ状の溶接部４とそれから上方に延長する軸部３の下部外周面に、電極６を形成する材料と同様なフラックス材を用いて形成した薄いフラックス層６ａが被覆されている。このようなフラックス層６ａを被覆するには、例えばフラックス材の溶融液に先端部４等をデッピングするなどの方法がある。このフラックス層６ａの被覆は、少なくとも拡大ブロック体７の貫通孔１０または凹陥部２２内に挿入される部分に行われる。なお、その被覆は先端部４のみ、またはその上部の軸部３の一部のいずれか一方にすることもできる。
このようなフラックス層６ａの被覆により、溶接の際にそれら表面からもフラックスが蒸発される。そのため電極６のみでは蒸発フラックス量が不足する場合に有効である。特に本発明の溶接法において、溶接ジベル１の先端部４の容積が大きい場合に好適である。
【００１６】
次に上記部品を使用して溶接ジベルを溶接する方法について説明する。
図１において、先ず被溶接体２のスタッド溶接すべき場所の表面に、拡大ブロック体７の底面９をアモルファス箔２４またはアモルファス粉末を介してあるいはそれらを介在することなく接触させて載置し、次いでその上に不活性ガス供給治具１１を載置する。このときのアモルファス箔は、拡散溶接を可能とするものである。次いで、図示しないアークスタッド溶接機本体に連結されたスタッド溶接機２０のチャック２１に溶接ジベル１を把持させる。そしてその溶接ジベル１の先端部４を図示のように拡大ブロック体７の貫通孔１０内に挿入し、その先端の電極６を被溶接体２の表面に接触させる。一方、不活性ガス供給治具１１から不活性ガスを貫通孔１０内に吹き出させる。
この状態でスタッド溶接機２０を起動すると、最初に短時間溶接ジベル１の先端部４に設けた電極６と被溶接体２との接触面間に通電され、次いで溶接ジベル１が自動的に僅かに上昇され、先端部４と被溶接体２との間に間隙が生じてアーク放電が開始される。
【００１７】
溶接は不活性ガスの雰囲気のもとに行われ、供給された不活性ガスおよび発生ガスは溶接ジベル１の軸部３と不活性ガス供給治具１１における挿通孔１２により形成される間隙１２ａから外部に放出される。
アーク放電が開始されたとき、拡大ブロック体７の貫通孔１０の内径は前述のように溶接ジベル１の軸部３および溶接部４との間にアークを生じないように設定されるので、アーク放電は溶接ジベル１と被溶接体２間で良好に継続する。
アーク放電の継続により溶接ジベル１の先端部４が溶融し、貫通孔１０内に溶融池が形成されて、溶接ジベル１と被溶接体２および拡大ブロック体７が溶融池で連絡される。次いで、溶接ジベル１を下降させて被溶接体２に押圧することにより、溶接ジベル１と被溶接体２および拡大ブロック体７の３者が一体的に接合される。この溶接時間は通常１秒前後であり、極めて短時間で終了する。
【００１８】
図５はこのようにして溶接された溶接ジベル１と被溶接体２および拡大ブロック体７の結合状態を部分的に切り欠いて示した正面図である。溶接ジベル１の先端部４は溶融により消滅し、その結果溶接ジベル１の軸部３と被溶接体２および拡大ブロック体７の３者がブリッジされて一体化され、下部を一体的に拡大した軸部３の溶接ジベル１を被溶接体２に接合した場合とほぼ同様な状態が達成される。従って、剪断応力に対する抵抗力は十分に確保される。
図６は図５のように溶接ジベル１と拡大ブロック体７を一体的に被溶接体２に接合した所へコンクリートを打設し、被溶接体２とコンクリート層３０の複合体を形成した状態を示す部分断面図である。
以上のような溶接方法は図３に示した拡大ブロック体７を使用する場合も同様である。
【００１９】
【発明の効果】
本発明のスタッド溶接法は以上のような構成としたので、溶接ジベルを簡単な構造としたにも係わらず、予定される最大剪断応力に対してその溶接部分が破壊されず、初期剛性が高く、破断位置が軸部となるため、多数回の繰り返し荷重（１０８  のオーダ）に対し、大幅に耐疲労強度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスタツド溶接法を説明するための一部破断正面図。
【図２】図１の要部を分解して示した斜視図
【図３】本発明に使用される拡大ブロック体７の他の例を示す断面図。
【図４】本発明に使用される溶接ジベル１の他の例を示す部分拡大図。
【図５】溶接された溶接ジベル１と被溶接体２および拡大ブロック体７の結合状態を部分的に切り欠いて示した正面図。
【図６】図５のように溶接ジベル１と拡大ブロック体７を一体的に被溶接体２に接合した所へコンクリートを打設した状態を示す部分断面図。
【図７】図８に示す他の従来型の溶接ジベルと図９に示す溶接ジベルとの剪断力とすべりとの破壊特性曲線。
【図８】他の従来型の溶接ジベルの破断説明図。
【図９】軸部の先端部が拡大した溶接ジベルの破断説明図。
【符号の説明】
１  溶接ジベル
２  被溶接体
３  軸部
４  先端部
５  頭部
６  電極
６ａ  フラックス層
７  拡大ブロック体
８  上面
９  底面
１０  貫通孔
１１  不活性ガス供給治具
１２  挿通孔
１２ａ  間隙
１３  配管
１４  入口
１５  吹出口
１６  段差部
１６ａ  段差部
１７  押圧体
１８  押圧リング
１９  連結部
２０  スタッド溶接機
２１  チャック
２２  凹陥部
２３  底部
２４  アモルファス箔
３０  コンクリート層
【図１】
0003569856.tif 000002
【図２】
0003569856.tif 000003
【図３】
0003569856.tif 000004
【図４】
0003569856.tif 000005
【図５】
0003569856.tif 000006
【図６】
0003569856.tif 000007
【図７】
0003569856.tif 000008
【図８】
0003569856.tif 000009
【図９】
0003569856.tif 000010