(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１鋼材と第２鋼材とを完全溶込みで継手溶接するアーク溶接方法であって、
前記第１鋼材は、前記第２鋼材に対して突合せ方向、または、前記突合せ方向に直交する直交方向に向けて配置されると共に、前記第２鋼材よりも板厚が大きく形成され、
前記第２鋼材は、前記第１鋼材に対して前記突合せ方向に向けて配置され、当該第２鋼材の表側に裏側よりも大きく開口する片側開先を有し、
前記第１鋼材と前記第２鋼材とを溶接する際、前記片側開先の裏側を前記第１鋼材側の端面の直交方向に２パス以上上向溶接し、かつ、前記第２鋼材側の裏面を前記突合せ方向に前記片側開先を架橋する上向溶接を行うと共に、架橋後１パス以上、非開先内である前記第２鋼材側の裏面に沿って水平方向に上向肉盛溶接した後、前記第２鋼材側の表側を下向溶接で前記片側開先の充填溶接と余盛溶接とを行い、
前記上向溶接と前記下向溶接とによって形成される溶接金属と前記第２鋼材の母材との母材−溶接金属境界線の角度が、１３５度以下になるように溶接することを特徴とするアーク溶接方法。
【請求項２】
前記上向溶接には、フラックス入りワイヤが用いられ、
前記下向溶接には、ソリッドワイヤまたはフラックス入りワイヤが用いられることを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接方法。
【請求項３】
前記上向溶接に用いられる前記フラックス入りワイヤは、極性を正極性とし、フラックスとしてフッ化カルシウムまたはフッ化バリウムを合計０．５〜１０質量％含有していることを特徴とする請求項２に記載のアーク溶接方法。
【請求項４】
前記上向溶接に用いられる前記フラックス入りワイヤは、炭酸ガスシールドと組み合わせたガスシールドアーク溶接法からなることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のアーク溶接方法。
【請求項５】
前記第１鋼材は、柱部材からなり、
前記第２鋼材は、Ｈ形鋼から形成された梁部材からなると共に、前記柱部材に接合する際に接合される下フランジが形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建築用鉄骨等に使用される鋼材を溶接して構造物を建造する際に、天地反転作業が不可能な場合であっても効率よく溶接することができるアーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼材同士を突合わせて一体化させるアーク溶接方法は、建築をはじめ、あらゆる鋼構造物に適用されている。突合わせ溶接を行う場合は、開先のルートギャップ（最狭隘間隔）が、ゼロだと溶込み残しが生じて全断面が溶融せず、完全溶込みができない場合がある。このため、溶接する部材の片側あるいは両側に開先を形成して、アークが開先内の傾斜面に当たり易くすることにより、適正な溶込みができるようにしてから、溶接金属を開先内に充填させている。
【０００３】
また、ルートギャップは、溶接熱歪みや不可避的な部材取付精度の低下によっても生じることがある。このため、ほとんどの突合わせ溶接の場合、ルートギャップを設けて溶接が行われている。ルートギャップは、溶接時に溶けた溶融鉄が溶落ちし易いので、高い技量が要求される。溶落ちを避けるための溶接方法としては、開先をＶ型もしくはレ型にして、最深部のルートギャップに鋼製の裏当金を仮付けし、開先内の溶接時に裏当金を母材の鋼板と共に一体に接合する方法がよく用いられている。この溶接方法では、鋼板の片側を下向で全て溶接することができるという利点がある。しかしながら、この裏当金を取付ける溶接方法は、後記するように接合部の強度が弱くなるという問題点がある。
【０００４】
図９は、従来のアーク溶接方法で溶接した溶接部分の状態を示す要部拡大図である。
例えば、図９に示すように、板厚の厚い第１鋼板Ａ１００に板厚の薄い第２鋼板Ｂ１００を突合わせ、第２鋼板Ｂ１００側の鉛直上側に開口したレ型の開先Ｄ１００を設け、この開先Ｄ１００の底部に裏当金Ｓ１００を当てて溶接を行った場合、第１鋼板Ａ１００と第２鋼板Ｂ１００は全断面で溶接されるので、継手としての静的な引張強度を確保することができる。
【０００５】
しかしながら、第１鋼板Ａ１００が固定された第２鋼板Ｂ１００が、曲げ方向あるいは軸方向の周期的変動、例えば、高層建築における地震や、強風による応力Ｐを受けた場合、板厚が不連続な溶接部に応力集中が加わり、疲労的破壊を起こすことがある。この場合、不連続部点の角度が小さいほど応力集中が大きくなるので、破壊され易くなるという問題点がある。
【０００６】
図９に示す溶接継手の場合は、裏当金Ｓ１００が溶接された止端部Ｂ１０１，Ｂ１０２に切欠部（「ノッチ」とも呼ばれる）が形成され、この切欠部に非常に大きい応力が集中することになる。したがって、裏当金Ｓ１００を使用する溶接方法は、耐震性や耐疲労特性が劣り易く、継手品質が低いという問題点がある。
【０００７】
図１０（ａ）〜（ｅ）は、従来のアーク溶接方法で溶接した溶接部分の状態を溶接作業順に示す要部拡大図である。
静的引張強度、耐震性及び耐疲労特性に優れた継手品質を得るためには、裏当金Ｓ１００（図９参照）を用いない溶接方法が必要である。この目的のために最も好適とされる溶接方法は、図１０（ａ）に示すように、開先Ｄ２００を表側と裏側に二分したＫ型にして、ルートギャップを設けない両面溶接法である。この溶接方法では、図１０（ｂ）に示すように、開先Ｄ２００の表側を溶接した後、図１０（ｃ）に示すように、鋼板Ａ２００，Ｂ２００を天地反転させる。そして、図１０（ｄ）に示すように、ルートギャップ無しで溶接することに伴って生じ易い溶込み不良部分、及び、溶接割れ部分をガウジング等によって抉り取った後、図１０（ｅ）に示すように、開先Ｄ２００の表側（上側）を溶接して仕上げる。
【０００８】
開先Ｄ２００の両側を溶接する両側溶接による継手形状の場合は、溶融金属の止端部Ｂ１０１，Ｂ１０２（図９参照）に切欠部が存在せず、鋼板Ｂ２００が周期的な応力Ｐを受けても、溶接ビードＦ２００の止端部Ｂ２０１，Ｆ２０１に、大きな応力集中が発生せず、鋼板Ａ２００に応力Ｐが伝達される。このため、この場合、高い耐震性及び耐疲労特性を得ることができる。
しかし、両側溶接法は、天地反転作業が不可欠であり、鉄骨現場での組立作業で物理的に反転が不可能な場合も多く、使用される場所が限定されるという問題点がある。
【０００９】
継手の表側と裏側とを逆にして溶接する天地反転作業が不可能な場合において、金属製の裏当金を取付けず、切欠部が無い継手を形成するための溶接方法としては、セラミック製やガラス繊維製の溶接用の裏当材Ｓ３００（図１１（ａ）参照）を用いた方法がある。
【００１０】
図１１（ａ）〜（ｃ）は、非特許文献１に記載されたアーク溶接方法で溶接した場合の溶接部分の状態を示す要部拡大図である。
例えば、非特許文献１に記載された裏当てビード工法では、図１１（ａ）に示すように、裏当材Ｓ３００をバネなどの力で開先Ｄ３００の裏側（下側）に仮固定し、表側（上側）から溶接を行って開先Ｄ３００に溶融金属を充填している。この場合、裏当材Ｓ３００は、金属に対して溶接されない特性を持つ材料が使用され、溶接後に開先Ｄ３００の溶接ビードＦ３００から容易に外すことができる。
【００１１】
図１１（ｂ）に示すように、溶接ビードＦ３００の裏側の止端部Ｂ３０１は、滑らかな形状に形成され、切欠部が形成されることがない。
しかし、非特許文献１でも指摘されているとおり、裏当材Ｓ３００は、図１１（ｃ）に示すように、熱伝導速度が遅いことに起因して、溶接ビードＦ３００に割れＥ３００が発生し易い。割れＥ３００が生じた場合は、補修しない限りそのまま残存して切欠部として作用するため、耐震性及び耐疲労特性を著しく劣化させるという問題点がある。
【００１２】
このようなことから、アーク溶接方法では、裏当金Ｓ１００（図９参照）及び裏当材Ｓ３００を用いず、溶接する際に、天地反転作業する必要がなく、高能率で、耐震性及び耐疲労特性に優れた方法が望まれていた。
【００１３】
このような要望に対する策としては、鉛直上側に開口したレ型の開先の裏側を上向姿勢で溶接を行ってルートギャップを埋めた（以下、「架橋」という）後、開先の表側（上側）を、上向溶接よりも能率よく作業ができる下向姿勢で溶接する手段がある。
その他の溶接方法としては、広いルートギャップが存在した場合に、非開先側に肉盛溶接を行って架橋させる建築鉄鋼構造物の柱梁接合部の溶接方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【００１４】
図１２（ａ）は、特許文献１に記載の溶接方法で溶接した溶接部を示す要部拡大図であり、図１２（ｂ）及び図１２（ｃ）は共に特許文献２，３に記載の溶接方法で溶接した溶接部を示し、さらに具体的には図１２（ｂ）は溶接部に応力がかかったときの状態を示す、図１２（ｃ）は溶接部に亀裂が発生したときの状態を示す。
【００１５】
しかしながら、特許文献１に記載された溶接方法は、上向姿勢で溶接した場合、溶接ビードの重力によって溶落ちし易いので、従来の下向溶接法と同じ溶接材料や溶接機器では施工能率が著しく悪く、かつ、図１２（ａ）に示すように、溶接後の裏側の溶接ビードＦ４１０の形状が凸状になっているため、止端部Ｂ４０１，Ｂ４０２の応力集中が高く、さほどの耐震性や耐疲労特性の向上が認められない。
【００１６】
また、その他の溶接方法としては、溶接材料を特殊なフラックス入りワイヤとすると共に、電流を通常とは逆の正極性にすることにより、上向溶接時の施工能率及び溶接ビードＦ４００の形状を改善して、裏当金や裏当材を使用しない溶接方法が知られている（例えば、特許文献２，３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特許第４７４９０６７号公報
【特許文献２】特開２００１−７１１４１号公報
【特許文献３】特許第３８７７８４３号公報
【非特許文献１】「鉄構技術」（鋼構造出版）２０００年６月号  第３９〜４３頁「柱梁接合部の現場溶接に適用する裏当てビード工法」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、特許文献２，３の溶接方法では、施工性が向上したものの、未だに耐震性及び耐疲労特性あるいは溶接能率が満足できていない。
その理由には、次の３点がある。
第１の理由は、従来の逆極性と汎用溶接ワイヤの組み合せに比べた場合、形状面の改善がなされているものの、図１２（ｂ）に示すように、特許文献２，３の溶接方法で溶接した場合、継手形状の上下非対称性が著しく、裏側の溶接ビードＦ４１０の全体が応力集中箇所になっていることである。
振幅応力Ｐの動作点から見て、裏側の止端部Ｂ４０１にかかるモーメントＭＢ４０１［力×距離］は、表側の止端部Ｆ４０１にかかるモーメントＭＦ４０１よりも距離が長い分だけ大きくなり、伝達バランスが上下不均等であるため、裏側に大きく作用する。
【００１９】
また、応力伝達も、表側が、止端部Ｆ４０１から止端部Ｆ４０２に亘って経路が広がっているので緩やかであるのに対し、裏側が、止端部Ｂ４０１から止端部Ｂ４０２に亘ってほとんど経路として分散されずに鋼板Ａ４００に達する。継手は、これらの上下非対称形状的因子から、裏側の溶接部に応力が集中し、早く破壊し易くなっており、耐震性に乏しい。
【００２０】
第２の理由は、上向姿勢によるルートギャップ溶接の裏側の溶接ビードＦ４１０が架橋しているものの、裏側の溶接ビードＦ４１０の厚さが薄く、その後の下向溶接時に溶落ちし易いことから、下向溶接下層部の電流等の溶接条件を低くしなければならず、溶接作業の能率が上がらないことである。
【００２１】
第３の理由は、図１２（ｃ）に示すように、表側の溶接ビードＦ４００の止端部Ｆ４０１、または、裏側の溶接ビードＦ４１０の止端部Ｂ４０１に亀裂Ｃが生じた場合に、最も脆い性質を持つ溶接金属と母材との母材−溶接金属境界線Ｗ（図１２（ｂ）の裏側の止端部Ｂ４０１から表側の止端部Ｆ４０１までの間の境界線）、いわゆるボンド部や熱影響部（ＨＡＺ）を一気に逆側に向かって伝達して破断することがあり、耐震性に問題がある。
【００２２】
前記第１及び第２の理由に対する問題は、従来の常識として、ルートギャップの溶接が架橋することを最終目的としていることに原因がある。
このため、前記した諸問題を究明して改善し、大きな地震に対する耐震性や、周期的な応力に対する耐疲労特性を向上させることができると共に、効率よく溶接することができるアーク溶接方法が要望されていた。
【００２３】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、天地反転作業が不可能であっても効率よく溶接して耐震性及び耐疲労特性が優れた溶接継手を形成することができるアーク溶接方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
前記した課題を解決するために、本発明に係るアーク溶接方法は、第１鋼材と第２鋼材とを完全溶込みで継手溶接するアーク溶接方法であって、前記第１鋼材は、前記第２鋼材に対して突合せ方向、または、前記突合せ方向に直交する直交方向に向けて配置されると共に、前記第２鋼材よりも板厚が大きく形成され、前記第２鋼材は、前記第１鋼材に対して前記突合せ方向に向けて配置され、当該第２鋼材の表側に裏側よりも大きく開口する片側開先を有し、前記第１鋼材と前記第２鋼材とを溶接する際、前記片側開先の裏側を前記第１鋼材側の端面の直交方向に２パス以上上向溶接し、かつ、前記第２鋼材側の裏面を前記突合せ方向に前記片側開先を架橋する上向溶接を行うと共に、架橋後１パス以上、非開先内である前記第２鋼材側の裏面に沿って水平方向に上向肉盛溶接した後、前記第２鋼材側の表側を下向溶接で前記片側開先の充填溶接と余盛溶接とを行い、前記上向溶接と前記下向溶接とによって形成される溶接金属と前記第２鋼材の母材との母材−溶接金属境界線の角度が、１３５度以下になるように溶接することを特徴とする。
【００２５】
かかる構成によれば、本発明に係るアーク溶接方法は、第１鋼材と第２鋼材とを溶接する際、片側開先の裏側（下側）を第１鋼材側の端面の直交方向に２パス以上上向溶接し、かつ、前記第２鋼材側の裏面を前記突合せ方向に前記片側開先を架橋する上向溶接を行うと共に、架橋後１パス以上、非開先内である第２鋼材側の裏面に沿って水平方向に上向肉盛溶接した後、第２鋼材側の表側（上側）を下向溶接で片側開先の充填溶接と余盛溶接とを行っている。つまり、このアーク溶接方法は、まず、片側開先の裏側を、２パス以上に亘って上向溶接することにより、ルートギャップを確実に架橋させて蓋をすることができる。その架橋部位は、溶接ビードで積層して重ねることにより、溶接ビードの厚さを厚くすることができるため、この後で、片側開先の表側を溶接する際に、高い電流条件で下向溶接を行っても溶落ちするのを防止することができ、溶接作業の高能率化を図ることができる。
また、アーク溶接方法は、第２鋼材側の表側を下向溶接で片側開先の充填溶接と余盛溶接とを行うことによって、溶接ビードにかかる外力に対する強度及び応力伝達性を向上させることができる。
また、アーク溶接方法は、上向溶接と下向溶接とによって形成される母材−溶接金属境界線の角度が、１３５度以下になるように溶接することにより、母材−溶接金属境界線に沿って亀裂が発生するのを抑制することができると共に、発生する亀裂を母材−溶接金属境界線に追従できなくして、亀裂が発生してもその速度を遅くすることができる。
【００２６】
また、前記上向溶接には、フラックス入りワイヤが用いられ、前記下向溶接には、ソリッドワイヤまたはフラックス入りワイヤが用いられることが好ましい。
【００２７】
かかる構成によれば、上向溶接に使用するフラックス入りワイヤは、ソリッドワイヤと比較して、スパッタの発生量が少なく、溶接ビードの形状を平坦にすることができると共に、比較的高電流であっても、溶滴の表面張力が高く、スラグが溶滴の表面に固体として生じ、溶落ちし難い。このため、フラックス入りワイヤは、上向溶接に使用することが可能である。
【００２８】
また、前記上向溶接に用いられる前記フラックス入りワイヤは、極性を正極性とし、フラックスとしてフッ化カルシウムまたはフッ化バリウムを合計０．５〜１０質量％含有していることが好ましい。
【００２９】
かかる構成によれば、極性とフッ化物を組み合わせることによって、上向姿勢でもより溶融池が垂れ難くなり、止端部の馴染み性が改善されて応力集中を緩和させることができる。
【００３０】
また、前記上向溶接に用いられる前記フラックス入りワイヤは、炭酸ガスシールドと組み合わせたガスシールドアーク溶接法からなることが好ましい。
【００３１】
かかる構成によれば、フラックス入りワイヤは、炭酸ガスをシールドガスとして用いて溶接することにより、窒素の混入を防ぎ、高靭性な溶接金属を得ることで、亀裂伝播速度を遅くすることができる。
【００３２】
また、前記第１鋼材は、柱部材からなり、前記第２鋼材は、Ｈ形鋼から形成された梁部材からなると共に、前記柱部材に接合する際に接合される下フランジとして形成されていることが好ましい。
【００３３】
かかる構成によれば、第２鋼材は、柱部材に接合する際に接合される下フランジとして形成されていることによって、Ｈ形鋼の柱部材であっても、裏当材を用いずに、開先を上向溶接することができると共に、梁全体の溶接として耐震性及び耐疲労特性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明は、天地反転作業が不可能であっても効率よく溶接して耐震性及び耐疲労特性が優れた溶接継手を形成することができるアーク溶接方法を提供することができる。
また、アーク溶接方法は、ルートギャップの裏側を上向溶接して架橋後に、さらに裏側に溶接ビードを重ねるように積層することによって、ルートギャップを確実に閉塞することができる。このため、開先の表側を下向溶接する際に、溶落ちすることがないので、溶接作業の作業効率を向上させることができると共に、溶接部に外力がかかったときの応力伝達性を良好にして亀裂を発生し難くし、さらには亀裂が生じた後の伝播をも遅らせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るアーク溶接方法における開先のパターンをそれぞれ示す要部拡大縦断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るアーク溶接方法を示す要部拡大縦断面図であり、（ａ）は１パス目の上向溶接をした状態を示す、（ｂ）は溶接が完了した溶接継手を示す。
【図３】本発明に係るアーク溶接方法でルートギャップを溶接して架橋するときの積層例を示す説明図であり、（ａ）〜（ｄ）はその第１積層例から第４積層例を示す。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態に係るアーク溶接方法で第１鋼板と第２鋼板とを接合した溶接部分に亀裂が発生するときのそれぞれのパターンを示す。
【図５】本発明の実施形態に係るアーク溶接方法の比較例及び変形例を示す図であり、（ａ）は比較例及び変形例を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ部（比較例）の拡大断面図、（ｃ）は（ａ）のＹ部（変形例）の拡大断面図である。
【図６】本発明に係るアーク溶接方法の実施例１を示す要部拡大断面図である。
【図７】実施例２の比較例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。
【図８】本発明に係るアーク溶接方法の実施例２を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図である。
【図９】従来のアーク溶接方法で溶接した溶接部分の状態を示す要部拡大図である。
【図１０】（ａ）〜（ｅ）は、従来のアーク溶接方法で溶接した溶接部分の状態を溶接作業順に示す要部拡大図である。
【図１１】（ａ）〜（ｅ）は、非特許文献１に記載されたアーク溶接方法で溶接した場合の溶接部分の状態を示す要部拡大図である。
【図１２】（ａ）は、特許文献１に記載の溶接方法で溶接した溶接部を示す要部拡大図であり、（ｂ）及び（ｃ）は共に特許文献２，３に記載の溶接方法で溶接した溶接部を示し、さらに具体的には（ｂ）は溶接部に応力がかかったときの状態を示す、（ｃ）は溶接部に亀裂が発生したときの状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の実施形態について図１〜図４を参照して説明する。
なお、実施形態の説明において、第１鋼板Ａ、第２鋼板Ｂは、溶接する際の被溶接部材の配置状態等によって左右の向きが変化する。このため、本発明の実施形態では、便宜上、図面に対して上側を「表」、下側を「裏」、左側を「左」、右側を「右」として説明する。
【００３７】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明に係るアーク溶接方法は、第１鋼板Ａ，Ａ１（第１鋼材）と第２鋼板Ｂ（第２鋼材）とを裏当材を用いずに完全溶込みで溶接継手を溶接する方法である。このアーク溶接方法を詳述する前に、まず、このアーク溶接方法によって接合される第１鋼板Ａ，Ａ１と第２鋼板Ｂを説明する。
【００３８】
≪第１鋼板及び第２鋼板の構成≫
第１鋼板Ａ，Ａ１（第１鋼材）及び第２鋼板Ｂ（第２鋼材）は、例えば、建築用鉄骨等に使用される鋼材を溶接して構造物を建造する際に使用される被溶接部材である。
第１鋼板Ａ，Ａ１は、第２鋼板Ｂに対して、図１（ａ）に示す第１鋼板Ａのように、水平方向（突合せ方向）に向けて配置されるか、あるいは、図１（ｂ）に示す第１鋼板Ａ１のように、鉛直方向（突合せ方向に直交する直交方向）に向けて配置されて、第２鋼板Ｂに接合される部材からなる。第１鋼板Ａ，Ａ１は、第２鋼板Ｂよりも板厚が大きく形成されている。つまり、第１鋼板Ａ，Ａ１は、図１（ａ）に示すように、第２鋼板Ｂよりも板厚の厚い厚板（第１鋼板Ａ）、あるいは、図１（ｂ）に示すように、第２鋼板Ｂに対して直交方向に延設された平板材あるいは柱状部材（第１鋼板Ａ１）からなる。
【００３９】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、第２鋼板Ｂは、第１鋼板Ａ，Ａ１に対して水平方向（突合せ方向）にルートギャップＧを介して配置される鋼板であり、レ型の開先Ｄを形成するために、第１鋼板Ａ，Ａ１の対向面に対して、例えば、約４５度傾斜した傾斜面Ｂｄが形成されている。
【００４０】
開先Ｄは、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、２つのパターンによってレ型に形成されて、レ型開先溶接される。開先Ｄの形状は、レ型以外に、このレ型に近い形状であればよく、例えば、傾斜面Ｂｄの４５度の傾斜角度を４５度よりも大きく形成した急斜面にしたもの、または、傾斜面Ｂｄの傾斜角度を４５度よりも小さく形成した緩斜面のもの、あるいは、傾斜面Ｂｄを曲面状に形成したＪ型であっても構わない。
【００４１】
≪溶接ワイヤの構成≫
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、溶接トーチ１に取り付けられる溶接ワイヤ２（溶接材料）は、開先Ｄを裏側（下側）から上向溶接する際に、フラックス入りワイヤが用いられることが望ましい。上向溶接に用いられるフラックス入りワイヤは、極性を正極性とし、フラックスとしてフッ化カルシウムまたはフッ化バリウムを合計０．５〜１０質量％含有する溶接ワイヤ２で、炭酸ガスシールドと組み合わせたガスシールドアーク溶接法で溶接されることが望ましい。
また、図２（ｂ）に示すように、溶接ワイヤ２は、表側（上側）から下向溶接する際に、ソリッドワイヤまたはフラックス入りワイヤが用いられる。
【００４２】
上向溶接用の溶接材料がフラックス入りワイヤで、下向溶接用の溶接材料がソリッドワイヤまたはフラックス入りワイヤであることについて説明する。
一般的に下向溶接には全姿勢溶接用のような溶接ビードＦｂの垂れ防止機能を重視する必要が無い。このため、溶接ワイヤ２として、ソリッドワイヤ、フラックス入りワイヤ共に適用できる。継手溶接部の大部分の面積を占めるこれらの溶接ワイヤ２には、大気からの窒素の混入を防ぎ、高品質な溶接金属を得るためにＣＯ２、または、ＣＯ２とＡｒあるいはＯ２との混合ガスなどのシールドガスを適用するのが望ましい。
【００４３】
一方、上向溶接する場合、溶接ビードＦａが垂れ易いので、上向溶接用の溶接材料には、フラックス入りワイヤが望ましい。ソリッドワイヤは、スラグの発生量が非常に少ないため、上向溶接に重力によって垂れ落ちようとする溶融池を支えることができず、溶接ビードＦａが凸形状になり易い。凸形状の溶接ビードＦａになれば、止端部Ｂａの形状が切欠状に近づき、応力集中が増して耐震性や耐疲労特性が劣化する。フラックス入りワイヤは、内包される酸化物によって発生するスラグが凝固することにより、溶落ちを防止し、上向姿勢にもかかわらず平坦かつ止端部Ｂａの形状が滑らかで、応力集中が発生し難い溶接ビードＦａを得ることができる。この場合、溶接材料は、電流を上げても垂れ難いため、溶接作業の高能率化も図れる。
【００４４】
次に、フラックス入りワイヤが正極性(ワイヤ−＆母材＋)で配電され、内包されるフラックスとしてフッ化カルシウムまたはフッ化バリウムを合計０．５〜１０質量％含有していることについて説明する。
【００４５】
溶接ワイヤ２の溶接材料として最も普及しているフラックス入りワイヤは、逆極性用であり、かつ、アーク安定性が劣化するため、フッ化カルシウムまたはフッ化バリウムを含有しない。
これに対して、本発明の上向溶接で使用する溶接材料は、正極性で配電され、内包されるフラックスとしてフッ化カルシウムまたはフッ化バリウムを含有するものが望ましい。正極性とフッ化物を組み合わせると、上向姿勢でも、溶融池が垂れ難くなり、止端部Ｂａの馴染み性が改善して応力集中を緩和させることができる。また、アークの安定性も改善することができる。また、溶込みが浅くなり、上向溶接の最終パスによって制御する「溶込み交差角度θ１３５度以下」を容易に得ることができる。
【００４６】
逆極性の従来溶接法を適用すると、「第２鋼板Ｂ側の裏側の水平方向（突合せ方向）に架橋必要パス＋架橋後１パス以上」の最終パスで溶込みが深くなってしまい、下向溶接部との交差角度が小さくなるためである。
フラックスに含有させるフッ化物としては、フッ化カルシウムまたはフッ化バリウムが最も好適である。外周の鋼部分も合わせた全ワイヤ重量換算でフッ化カルシウムまたはフッ化バリウムが０．５質量％未満では、アークが不安定となり、溶接が困難となる。なお、その含有率が１０質量％を超えるとスパッタが多く発生するので、溶接が困難となる。
したがって、フッ化カルシウムまたはフッ化バリウムは、合計０．５〜１０質量％とする。
【００４７】
次に、フラックス入りワイヤが炭酸ガスシールドと組み合わせたガスシールドアーク溶接法である点について説明する。
正極性＋フッ化物のフラックス入りワイヤは、さらに、アルミニウム等を適量添加するとシールドガスが不要で溶接が可能となる。しかし、ノーガス溶接では、溶接金属中に大気から窒素が混入し、靭性が低くなって、亀裂伝播速度が高くなる。このため、炭酸ガスをシールドガスとして用いることにより、窒素の混入を防ぎ、高靭性な溶接金属を得ることで、亀裂伝播速度を遅くすることができる。
なお、フラックス入りワイヤは、フッ化カルシウムまたはフッ化バリウムの他に、溶接金属調質のための脱酸材、あるいは、アーク安定剤としてとしてＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ，Ｐ，Ｓ，Ｋ，Ｎａ，Ｃａ等を単体元素あるいは化合物としてさらに添加して適用することができる。
【００４８】
≪アーク溶接方法≫
次に、第１鋼板Ａと第２鋼板Ｂとを溶接する場合を例に挙げてアーク溶接方法を説明する。
アーク溶接方法は、例えば、建築用鉄骨等に使用される第１鋼板Ａ，Ａ１と第２鋼板Ｂとを溶接して構造物を建造する際に利用される溶接方法であり、溶接する際に、天地反転作業が不可能な場合であっても溶接することができる。
【００４９】
＜第１工程＞
第１鋼板Ａと第２鋼板Ｂとをアーク溶接する際は、まず、図２（ａ）に示すように、溶接機の溶接トーチ１を上向きにして第１鋼板Ａ及び第２鋼板Ｂの下方に配置し、溶接ワイヤ２と開先Ｄの下部との間に、溶接電源（図示省略）からの電圧を印加すると、アーク電流が流れてアークが生成され、溶接が行われる。そして、開先Ｄの裏側（下側）を第１鋼板Ａ側の端面の鉛直方向（直交方向）に上向溶接して、１パス目でルートギャップＧを架橋する。これにより、開先Ｄ内の下端部が溶接ビードＦによって閉塞される。
【００５０】
＜第２工程＞
次に、１パス目と同様に、溶接トーチ１を上向きにした状態で、開先Ｄの裏側（下側）を第１鋼板Ａ側の端面の鉛直方向（直交方向）に１パス以上上向溶接して、１パス目と合わせて合計、第１鋼板Ａ側の端面の鉛直方向（直交方向）に２パス以上上向溶接する。
さらに、第２鋼板Ｂ側の裏面架橋済み溶接部を突合せ方向に１パス以上上向溶接する。
こうすることで、「第１鋼板Ａ側の端面の鉛直方向（直交方向）に２パス以上」と、「第２鋼板Ｂ側の裏側の水平方向（突合せ方向）に架橋するのに必要なパス＋架橋後１パス以上」が満足する。
【００５１】
図２（ｂ）に示すように、振幅応力Ｐの動作点から表側の止端部ＢｂにかかるモーメントＭＢｂ［力×距離］と、裏側の止端部ＢａにかかるモーメントＭＢａ［力×距離］が、それらのモーメントＭＢａ，ＭＢｂの距離が近づくことによって近い値となり、応力伝達のバランスが上下均等に近づくため、裏側への作用が実質的に小さくなる。この作用により、第２鋼板Ｂ側から作用する応力の応力集中が緩和され、第１鋼板Ａ側の伝達効率が向上されて、耐震性及び耐疲労特性が大きく改善される。
この場合、モーメントＭＢａ，ＭＢｂの距離の理想的な上限は、表側の止端部ＢｂにかかるモーメントＭＢｂの距離と、裏側の止端部ＢａにかかるモーメントＭＢａの距離とが、同一となる距離である。
【００５２】
＜第３工程＞
次に、図２（ｂ）に示すように、溶接トーチ１を第２鋼板Ｂの表側（上側）に配置して、第２鋼板Ｂの表側を下向きで開先Ｄを溶接ビードＦで埋めて蓋をするように充填溶接及び余盛溶接を行う。このため、ルートギャップＧの架橋部位は、厚みを増すことができるので、溶接ビードＦにかかる外力に対する強度及び応力伝達性を向上させることができる。
また、裏側を上向溶接して溶接ビードＦａでルートギャップＧを架橋した後に、表側を下向溶接する場合、上向溶接の溶接ビードＦａによって架橋部位が形成されたことにより、高い電流条件を用いて溶接を行ったとしても溶落ちし難くなるため、溶接作業の高能率化を図ることができる。
【００５３】
このようにして上向溶接と下向溶接とによって形成される溶接ビードＦ（溶接金属）と第２鋼板Ｂの母材との母材−溶接金属境界線Ｗの角度θは、１３５度以下になるように溶接して形成される。上向溶接の溶接ビードＦａと下向溶接の溶接ビードＦｂとが交差する角度θは、１３５度以下になるようにすれば、発生する亀裂の進行が、母材−溶接金属境界線Ｗに追従しなくなる。
【００５４】
≪ルートギャップの架橋の積層例≫
図３は、本発明に係るアーク溶接方法でルートギャップＧを溶接して架橋するときの積層例を示す説明図であり、（ａ）〜（ｄ）はその第１積層例から第４積層例を示す。
次に、規定した上向溶接による「第１鋼板Ａ側の端面の鉛直方向（直交方向）に２パス以上」と、「第２鋼板Ｂ側の裏側の水平方向（突合せ方向）に架橋するのに必要なパス＋架橋後１パス以上」の積層例１〜４について説明する。
【００５５】
＜第１積層例＞
図３（ａ）に示すように、第１積層例は、１パス目の溶接ビードＦ１でルートギャップＧを架橋し、２パス目の溶接ビードＦ２で第１鋼板Ａ側の端面の鉛直方向に１パスの溶接ビードＦ２を積層する。さらに、３パス目の溶接ビードＦ３を第２鋼板Ｂ側の裏側の水平方向に積層する。
第１積層例は、このようにして、「第１鋼板Ａ側の端面の鉛直方向（直交方向）に２パス以上」と第２鋼板Ｂ側の裏側水平方向に（架橋必要パス＋架橋後１パス以上）」を実現している。
【００５６】
＜第２積層例＞
図３（ｂ）に示すように、第２積層例は、１パス目の溶接ビードＦ１でルートギャップＧを架橋し、２パス目の溶接ビードＦ２で広いウィービング溶接を行うことにより、「第１鋼板Ａ側の端面の鉛直方向に＋１パス」と、「第２鋼板Ｂ側の裏側の水平方向に＋１パス」を兼用した溶接施工を行う。
第２積層例は、このようにして、第１鋼板Ａ側の端面の鉛直方向に２パス以上」と、「第２鋼板Ｂ側の裏側の水平方向に架橋必要パス＋架橋後１パス以上」と、を実現させている。
【００５７】
＜第３積層例＞
図３（ｃ）に示す第３積層例は、ルートギャップＧが広すぎて１パスで架橋できない場合の積層例である。この場合は、まず、ルートギャップＧの第１鋼板Ａ側に１パス目の溶接ビードＦ１として上向溶接で肉盛溶接を行ってルートギャップＧを狭める。
次に、２パス目の溶接ビードＦ２としてその肉盛溶接端面と第２鋼板Ｂ側の裏側端面間をさらに上向溶接によってルートギャップＧを架橋する溶接を行う。ルートギャップＧが広くても、この２パス目の溶接ビードＦ２によりルートギャップＧが架橋される。
さらに、３パス目の溶接ビードＦ３を第１鋼板Ａ側の端面の鉛直方向に１パス目の溶接ビードＦ１に積層して、「第１鋼板Ａ側の端面の鉛直方向に＋１パス」を行う。
さらに、４パス目として、４パス目の溶接ビードＦ４を第２鋼板Ｂ側の裏側の水平方向に積層して完了する。
第３積層例は、このようにして、「第１鋼板Ａ側の端面の鉛直方向（直交方向）に２パス以上」と「第２鋼板Ｂ側の裏側水平方向に（架橋必要パス＋架橋後１パス以上）」を実現させている。
【００５８】
＜第４積層例＞
図３（ｄ）に示すように、第４積層例は、まず、ルートギャップＧの第１鋼板Ａ側に４パス目として上向溶接で肉盛溶接を行って、１パス目の溶接ビードＦ１でルートギャップＧを狭める。
２パス目として１パス目の溶接ビードＦ１を土台として第１鋼板Ａと第２鋼板Ｂを繋ぐように２パス目の溶接ビードＦ２を上向溶接で積層する。これでルートギャップＧの架橋が完了されて、「第１鋼板Ａ側の端面の鉛直方向に＋１パス」が行われたことになる。
さらに、３パス目として、第１鋼板Ａ側の裏側の水平方向に上向溶接して３パス目の溶接ビードＦ３を積層する。
第３積層例は、このようにして、「第２鋼板Ｂ側の裏側の水平方向に（架橋必要パス＋架橋後１パス以上）」が実現される。なお、ルートギャップＧがさらに広く２パスで架橋できない場合は、さらに上向溶接で肉盛溶接を水平方向（突合せ方向）に重ねて行う。
【００５９】
≪亀裂について≫
本発明のアーク溶接方法は、以上のような積層方法の改善によるマクロ形状的な応力集中を改善した効果と、下向溶接の能率向上の効果の他に、さらに、重要な規定が母材−溶接金属境界線Ｗの形状の改善による、亀裂発生後の伝播抵抗増加である。
これによって溶接止端部からの亀裂発生後に、その亀裂進展速度を低下させ、破断に至る時間を遅らせることができる。
さらに、図１２（ａ）及び図４（ａ）〜（ｃ）を主に参照しながら、亀裂の発生と、本発明が亀裂進展速度を低下させることができる点について、従来と比較して説明する。
【００６０】
図１２（ａ）に示す前記した従来の第３の問題点として説明した溶接ビードＦ４００の止端部Ｂ４０１または止端部Ｆ４０１から亀裂Ｃが生じた場合、その亀裂Ｃが進む方向は、母材−溶接金属境界線Ｗ（図１２の止端部Ｂ４０１−止端部Ｆ４０１)、ボンド部や熱影響部（ＨＡＺ）であることが多い。
これは、この部位が溶接時に最も急冷を受けることにより、硬くて脆い性質へ組織変化する性質があるためである。相対的に鋼板の非熱影響部や溶接金属よりも亀裂抵抗が小さいことから、大きい速度で伝播する。亀裂Ｃの方向が一直線であると、それは顕著となる。
【００６１】
しかし、亀裂の方向を途中で大きく迂回させれば、亀裂は、それに追従することができず、溶接金属内部を進行することになる。この場所は、ボンド部や熱影響部よりも相対的に高靭性であり、亀裂伝播抵抗が高いことから、亀裂の進行速度が遅くなり、破断に至る時間を長くすることができる。このメカニズムを実現する手段として、本発明は、上向溶接と下向溶接との混用溶接法を利用している。
【００６２】
亀裂進行方向が母材−溶接金属境界線Ｗに追従しないようにするためには、母材−溶接金属境界線Ｗを図２（ｂ）に示すように、途中で急峻に曲げればよい。すなわち、上向溶接の溶接ビードＦａ（溶接金属）と下向溶接の溶接ビードＦｂ（溶接金属）とでそれぞれ形成される溶込み形状の違いを利用して、それぞれの交差の角度θが１３５度以下になるように制御すれば、発生する亀裂が、母材−溶接金属境界線Ｗに追従できなくなる。
【００６３】
図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態に係るアーク溶接方法で第１鋼板と第２鋼板とを接合した溶接部分に亀裂が発生するときのそれぞれのパターンを示す。
例えば、図４（ａ）に示すように、表側の止端部Ｂｂから亀裂Ｃ１が発生した場合は、母材−溶接金属境界線Ｗに沿って進行した後、途中で境界部から溶接金属を通り、進展速度が小さく減速された後、貫通に至る。
図４（ｂ）に示すように、これとは逆に、裏側の止端部Ｂａから亀裂Ｃ２が発生した場合は、止端部Ｂａから母材と溶接金属との境界部に沿って進行して溶接金属、さらに母材原質部を通り、進展速度が小さく減速された後、貫通に至る。
図４（ｃ）に示すように、母材−溶接金属境界線Ｗの角度θが１３５度を超えている場合は、亀裂Ｃ４が母材−溶接金属境界線Ｗに沿ってその方向に追従し、早期に破断に至る。
【００６４】
これを実現する手段として、上述した「第２鋼板Ｂ側の裏側の水平方向に（架橋必要パス＋架橋後１パス以上）」が必要となる。ルートギャップＧを架橋させるパスだけでは、溶込み交差角度θを１３５度に制御することはできない。
また、架橋後の最終パスの溶接条件から算出される入熱(電流×電圧×６０／溶接速度、単位Ｊ／ｃｍ)も、過大であれば交差の角度θが１３５度を超える場合も生じるため、開先角度などを勘案して入熱抑制することで、交差の角度θが１３５度を満足させるようにする必要がある。
【００６５】
また、図４（ａ）に示す亀裂Ｃ１の進行は、「第１鋼板Ａ側の端面の鉛直方向に＋１パス」が破断亀裂時間の長時間化に有効となっている。なお、従来のようにルートギャップＧの架橋後にそのまま溶接を終えていると、裏側の溶接ビードＦの厚さが薄く、止端部Ｂｂから止端部Ｂｃの方向の距離が短く、早くに破断する。
しかし、「第１鋼板Ａ側の端面の鉛直方向に＋１パス」の溶接施工によって、溶接ビードＦの厚みを増しておくと、溶接金属進展後の破断までに至る距離が大きいため、破断までの時間を稼ぐことができる。
【００６６】
図４（ｂ）に示すように、裏側の溶接金属の止端部Ｂａから表側の溶接金属の止端部Ｂｂの方向に向けて亀裂Ｃ３が発生することがある。このタイプの場合、従来の施工法では、図１２（ｃ）に示すように、亀裂Ｃの進展が母材−溶接金属境界線Ｗと合致し、脆性的金属特性領域のため、進展速度が非常に速い。
しかし、図４（ｂ）に示すように、「第２鋼板Ｂ側の裏側の水平方向に（架橋必要パス＋架橋後１パス以上）」溶接を行うことにより、亀裂Ｃ３が、高靭性な母材原質部を貫通するため、その亀裂Ｃ３の進展速度を遅くすることができる。
【００６７】
このように、本発明のアーク溶接方法は、「第１鋼板Ａ側の端面の鉛直方向に＋１パス」、「第２鋼板Ｂ側の裏側の水平方向に（架橋必要パス＋架橋後１パス以上）」、「上向溶接とその後の下向溶接によって形成される第２鋼板Ｂの断面の母材−溶接金属境界線Ｗの交差角度θが、１３５度以下の角度で交差するように選定した入熱溶接条件で行う」ことを満足すれば、マクロ形状的応力集中の改善効果と下向溶接の能率向上の効果を得ることができると共に、亀裂Ｃ１〜Ｃ４の発生後の伝播抵抗の増加による寿命長時間化の効果を得ることができる。
なお、溶込み交差角度θとして１１０度以下、さらに好ましくは９０度以下になるようにすれば、耐震性及び耐疲労特性を向上させることができる。
【００６８】
［変形例］
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更は可能である。なお、既に説明した構成は同じ符号を付してその説明を省略する。
図５は、本発明の実施形態に係るアーク溶接方法の比較例及び変形例を示す図であり、（ａ）は比較例及び変形例を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ部（比較例）の拡大断面図、（ｃ）は（ａ）のＹ部（変形例）の拡大断面図である。
【００６９】
前記実施形態では、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、第１鋼板Ａと第２鋼板Ｂとを溶接する場合を説明したが、本発明のアーク溶接方法は、板材に限定されるものではない。例えば、本発明に係るアーク溶接方法は、図５（ａ）、（ｃ）に示すように、柱部材からなる第１鋼材Ａ２と、Ｈ形鋼から形成された梁部材からなる第２鋼材Ｂ２とを溶接する場合にも適用できる。
【００７０】
まず、図５（ａ）、（ｂ）を参照して比較例を説明する。
比較例の第１鋼材Ａ５００は、高い耐震性や耐疲労性が要求される鉄骨建築の柱であり、角形鋼管からなるコラム部Ａ５１０と、このコラム部Ａ５１０に挿入結合された上通しダイヤフラムＡ５２０と、この上通しダイヤフラムＡ５２０の下方に挿入結合された下通しダイヤフラムＡ５３０と、を有する。
第２鋼材Ｂ５００は、第１鋼材Ａ５００に溶接されるＨ形鋼からなる梁部材であり、コラム部Ａ５１０に隅肉溶接される側面ウェブＢ５１０と、上通しダイヤフラムＡ５２０に裏当金Ｓ５００を当てて下向溶接で完全溶込み接合される上フランジＢ５２０と、下通しダイヤフラムＡ５３０に裏当金Ｓ５００を当てて下向溶接で完全溶込み接合される下フランジＢ５３０と、を有している。
【００７１】
このように、Ｈ形鋼と柱を接合する現場溶接においては、第１鋼材Ａ５００と第２鋼材Ｂ５００とを天地反転させて作業ができない。このため、比較例では、角形鋼管の第１鋼材Ａ５００とＨ形鋼の第２鋼材Ｂ５００とを溶接する場合、上通しダイヤフラムＡ５２０と上フランジＢ５２０との溶接箇所、及び、下通しダイヤフラムＡ５３０と下フランジＢ５３０との２つの溶接箇所に、いずれも裏当金Ｓ５００を使用している。
【００７２】
特に、比較例では、梁の第２鋼材Ｂ５００から柱の第１鋼材Ａ５００に対して曲げ方向あるいは軸方向に地震等による周期的変動が加わった場合、応力集中が、上フランジＢ５２０の外側と下フランジＢ５３０の外側に最も強く働く。そして、応力集中箇所は、上フランジＢ５２０側がビードの止端部Ｂ５０１であるのに対し、下フランジＢ５３０側が裏当金Ｓ５００の切欠部となる。
つまり、上フランジＢ５２０がある部位の止端部Ｂ５０１に発生する応力集中は小さいものの、下フランジＢ５３０がある部位の止端部Ｂ５０２に発生する応力集中は大きく、破壊速度が下フランジＢ５３０側に律速となっている。このため、裏当金Ｓ５００を用いる比較例では、耐震性や耐疲労特性が低い。
【００７３】
これに対して、本発明のアーク溶接方法の変形例に使用される第１鋼材Ａ２及び第２鋼材Ｂ２は、図５（ａ）、（ｃ）に示すように、いずれも比較例の第１鋼材Ａ５００と第２鋼材Ｂ５００とそれぞれ同一形状のものであるが、裏当金Ｓが上通しダイヤフラムＡ２２と上フランジＢ２２との接合部位のみで、下通しダイヤフラムＡ２３と下フランジＢ２３との接合部位には使用されていない点で相違している。
【００７４】
つまり、第１鋼材Ａ２及び第２鋼材Ｂ２は、高い耐震性や耐疲労性が要求される鉄骨建築の柱材及び梁材である。
第１鋼材Ａ２は、角形鋼管からなるコラム部Ａ２１と、このコラム部Ａ２１に設けた上通しダイヤフラムＡ２２と、この上通しダイヤフラムＡ２２の下側に設けた下通しダイヤフラムＡ２３と、を有する角形鋼管からなる。
第２鋼材Ｂ２は、コラム部Ａ２１に隅肉溶接される側面ウェブＢ２１と、上通しダイヤフラムＡ２２に裏当金Ｓを当てて下向溶接で完全溶込み接合される上フランジＢ２２と、下通しダイヤフラムＡ２３に裏当金Ｓを使用せずに上向溶接して溶接ビードＦａで架橋した後、下向溶接の溶接ビードＦｂで完全溶込み接合される下フランジＢ２３と、を有するＨ形鋼からなる。
上フランジＢ２２及び下フランジＢ２３は、上通しダイヤフラムＡ２２及び下通しダイヤフラムＡ２３に対向する接合面がそれぞれ傾斜面に形成されて、レ型の開先を形成している。
【００７５】
現場溶接においては、天地反転作業ができないので、上フランジＢ２２を接合する場合、梁内側に裏当金Ｓが取り付けられる。そこで、下通しダイヤフラムＡ２３と下フランジＢ２３を溶接する際に、まず、開先の裏側を下通しダイヤフラムＡ２３側の端面の直交方向に２パス以上上向溶接し、かつ、下フランジＢ２３側の裏面を突合せ方向に開先を架橋する上向溶接を行うと共に、架橋後１パス以上上向溶接してから、その後、下フランジＢ２３側の表側を下向溶接で開先の充填溶接及び余盛溶接を行うことにより、梁全体の溶接として耐震性及び耐疲労特性の向上させることができる。
このように、本発明のアーク溶接方法は、平らな鋼板同士の溶接だけでなく、柱部材と、梁部材との溶接にも適用することが可能である。
なお、上フランジＢ２２にも、このアーク溶接方法を適宜同じように適用しても構わない。
【実施例１】
【００７６】
次に、図６を参照して本発明に係るアーク溶接方法の実施例１を説明する。
図６は、本発明に係るアーク溶接方法の実施例１を示す要部拡大断面図である。
図６に示すように、鋼板Ａ（第１鋼材）は、材質がＳＮ４９０Ｂ（建築構造用圧延鋼材）、板厚が３２ｍｍで、溶接する側の端面が垂直の板材からなる。鋼板Ｂ（第２鋼材）は、材質がＳＮ４９０Ｂ、板厚が２２ｍｍで、溶接する側の端面が３５度の傾斜角度θ１でレ型の開先Ｄ１を形成する板材からなる。鋼板Ａと鋼板Ｂとは、それぞれの中心線を揃えてルートギャップＧが１〜１０ｍｍで突合わせて、完全溶込み溶接を行った。
【００７７】
そして、溶接後に鋼板Ａを固定する一方、鋼板Ｂに対して開先Ｄ１側の止端部Ｂａから２００ｍｍ離れた位置で両振り曲げ振幅応力を負荷して疲労試験を行った。その結果が表１である。負荷応力は、５００ＭＰａとし、破断回数を評価した。１×１０５以下の場合を不合格（×）とし、１×１０５を超えた場合は合格とした。その中でも１０×１０５以上を最も優れるとして◎とし、５×１０５以上１０×１０５未満の場合をそれに次ぐ○、１×１０５超５×１０５未満の場合をさらに下位合格範囲△として表した。また、表１では、実施例Ｎｏ．１〜１８及び比較例Ｎｏ．１〜９における上向溶接及び下向溶接を行った際の溶接ワイヤの種類、成分、溶接条件及び試験結果を示す。
【００７８】
【表１】
0005977966.tif 000002
【００７９】
なお、表１に示す実験で使用した溶接ワイヤの組成は、ワイヤＷＦ１が０．０５質量％Ｃ＋０．５質量％Ｓｉ＋２．０質量％Ｍｎ＋１質量％ＣａＦ＋１質量％Ａｌ＋０．５質量％Ｍｇであり、種類がフラックス入りワイヤである。
ワイヤＷＦ２は、０．０６質量％Ｃ＋０．７質量％Ｓｉ＋２．０質量％Ｍｎ＋２質量％Ｔｉであり、種類がフラックス入りワイヤ(フッ化物無添加)である。
ワイヤＷＦ３は、０．１０質量％Ｃ＋０．２質量％Ｓｉ＋１．２質量％Ｍｎ＋１質量％ＣａＦ＋５質量％Ａｌ＋０．５質量％Ｍｇ＋０．５質量％ＣａＣＯ３であり、種類はフラックス入りワイヤである。
ワイヤＷＦ４は、０．０５質量％Ｃ＋１．０質量％Ｓｉ＋１．６質量％Ｍｎ＋５質量％ＢａＦ＋０．２質量％Ｍｇであり、種類がフラックス入りワイヤである。
ワイヤＷＦ５は、０．０３質量％Ｃ＋０．１質量％Ｓｉ＋２．６質量％Ｍｎ＋０．５質量％ＣａＦ＋０．４質量％Ｍｇ＋０．５質量％Ａｌ＋０．２質量％ＣａＣＯ３であり、種類がフラックス入りワイヤである。
ワイヤＷＦ６は、０．０５質量％Ｃ＋０．５質量％Ｓｉ＋２．０質量％Ｍｎ＋１０．０質量％ＣａＦ＋１質量％Ａｌ＋０．５質量％Ｍｇであり、種類がフラックス入りワイヤである。
ワイヤＷＦ７は、０．０５質量％Ｃ＋０．５質量％Ｓｉ＋２．０質量％Ｍｎ＋１１．０質量％ＣａＦ＋１質量％Ａｌ＋０．５質量％Ｍｇであり、種類がフラックス入りワイヤ(フッ化物超)である。
ワイヤＷＳ１は、０．０５質量％Ｃ＋０．８質量％Ｓｉ＋１．７質量％Ｍｎ＋０．１８質量％Ｔｉであり、種類がソリッドワイヤである。
ワイヤＷＳ２は、０．０５質量％Ｃ＋０．５質量％Ｓｉ＋１．５質量％Ｍｎ＋０．０９質量％Ｔｉであり、種類がソリッドワイヤである。
【００８０】
表１に示すように、実施例Ｎｏ．１〜１８では、本発明の課題を満足する条件で溶接施工を行った結果、良好な溶接性と継手の耐疲労特性が得られた。
つまり、実施例Ｎｏ．１では、上向溶接の際にリソッドワイヤを使用して溶接を行った結果、母材−溶接金属境界線の交差角度θが１３６度で、疲労試験による破断回数が２×１０５回であり、本発明の課題を満足する実験結果が得られた。
実施例Ｎｏ．２では、上向溶接の際にフラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）の組成外の溶接ワイヤを使用して逆極で溶接を行った結果、母材−溶接金属境界線の交差角度θが１００度で、疲労試験による破断回数が４×１０５回であり、本発明の課題を満足する実験結果が得られた。
実施例Ｎｏ．３では、上向溶接の際にフラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）の組成外の溶接ワイヤを使用して溶接を行った結果、母材−溶接金属境界線の交差角度θが９４度で、疲労試験による破断回数が３×１０５回であり、本発明の課題を満足する実験結果が得られた。
【００８１】
実施例Ｎｏ．４では、上向溶接の際に逆極で溶接を行った結果、母材−溶接金属境界線の交差角度θが８８度で、疲労試験による破断回数が４×１０５回であり、本発明の課題を満足する実験結果が得られた。
実施例Ｎｏ．５では、上向溶接の際にシールドガス無しでワイヤＷＦ３を使用して溶接を行った結果、母材−溶接金属境界線の交差角度θが１００度で、疲労試験による破断回数が５×１０５回であり、本発明の課題を満足する実験結果が得られた。
実施例Ｎｏ．６では、上向溶接の際にワイヤＷＦ１を使用して総パス数が２パスで溶接を行った結果、母材−溶接金属境界線の交差角度θが７６度で、疲労試験による破断回数が１２×１０５回であり、本発明の課題を満足する実験結果が得られた。
【００８２】
実施例Ｎｏ．７では、上向溶接の際にワイヤＷＦ１を使用して総パス数が３パスで溶接を行った結果、母材−溶接金属境界線の交差角度θが６５度で、疲労試験による破断回数が１５×１０５回であり、本発明の課題を満足する実験結果が得られた。
実施例Ｎｏ．８では、上向溶接の際にワイヤＷＦ４を使用して総パス数が３パスで溶接を行った結果、母材−溶接金属境界線の交差角度θが６０度で、疲労試験による破断回数が１６×１０５回であり、本発明の課題を満足する実験結果が得られた。
実施例Ｎｏ．９では、上向溶接の際にワイヤＷＦ５を使用して総パス数が４パスで溶接を行った結果、母材−溶接金属境界線の交差角度θが９５度で、疲労試験による破断回数が７×１０５回であり、本発明の課題を満足する実験結果が得られた。
【００８３】
実施例Ｎｏ．１０では、上向溶接の際にワイヤＷＦ６を使用して総パス数が２パスで溶接を行った結果、母材−溶接金属境界線の交差角度θが８３度で、疲労試験による破断回数が１０×１０５回であり、本発明の課題を満足する実験結果が得られた。
実施例Ｎｏ．１１では、上向溶接の際にワイヤＷＦ１を使用して総パス数が２パスで溶接を行った結果、母材−溶接金属境界線の交差角度θが１００度で、疲労試験による破断回数が７×１０５回であり、本発明の課題を満足する実験結果が得られた。
実施例Ｎｏ．１２では、上向溶接の際にワイヤＷＦ１を使用して総パス数が２パスで、鋼板Ｂの方向への最終パスの入熱を１８［ｋＪ／ｃｍ］に上げて溶接を行った結果、母材−溶接金属境界線の交差角度θが１００度で、疲労試験による破断回数が９×１０５回であり、本発明の課題を満足する実験結果が得られた。
【００８４】
実施例Ｎｏ．１３では、上向溶接の際にワイヤＷＦ１を使用して総パス数が５パスで溶接を行った結果、母材−溶接金属境界線の交差角度θが８０度で、疲労試験による破断回数が１２×１０５回であり、本発明の課題を満足する実験結果が得られた。
実施例Ｎｏ．１４では、上向溶接の際にワイヤＷＦ１を使用して総パス数が６パスで溶接を行った結果、母材−溶接金属境界線の交差角度θが７２度で、疲労試験による破断回数が１４×１０５回であり、本発明の課題を満足する実験結果が得られた。
実施例Ｎｏ．１５では、上向溶接の際にワイヤＷＦ５を使用して総パス数が２パスで溶接を行った結果、母材−溶接金属境界線の交差角度θが８７度で、疲労試験による破断回数が１１×１０５回であり、本発明の課題を満足する実験結果が得られた。
【００８５】
実施例Ｎｏ．１６では、上向溶接の際にワイヤＷＦ１を使用して総パス数が２パスで溶接し、下向溶接の際にＡｒ８０％＋ＣＯ２２０％のシールドガスを使用して溶接を行った結果、母材−溶接金属境界線の交差角度θが７９度で、疲労試験による破断回数が１３×１０５回であり、本発明の課題を満足する実験結果が得られた。
実施例Ｎｏ．１７では、上向溶接の際にワイヤＷＦ１を使用して総パス数が３パスで溶接を行った結果、母材−溶接金属境界線の交差角度θが８５度で、疲労試験による破断回数が１０×１０５回であり、本発明の課題を満足する実験結果が得られた。
実施例Ｎｏ．１８では、上向溶接の際にワイヤＷＦ１を使用して総パス数が３パスで、鋼板Ｂの方向への最終パスの入熱を５［ｋＪ／ｃｍ］に下げて溶接を行った結果、母材−溶接金属境界線の交差角度θが６１度で、疲労試験による破断回数が１７×１０５回であり、本発明の課題を満足する実験結果が得られた。
【００８６】
以上のように、実施例Ｎｏ．１〜１８では、鋼板Ｂで上向溶接と下向溶接とによって形成される母材−溶接金属境界線の溶込み交差角度θが、１３５度以下になり、溶接性及び継手の耐疲労特性が向上したことを確認することができた。
【００８７】
次に、比較例１〜９の実験結果について説明する。
比較例１では、裏当金付の下向溶接施工法であり、裏当金と母材間に不可避的に生じる切欠き形状によって、継手の耐疲労特性が悪かった。
比較例２では、セラミック製の裏当材を取り付けて溶接を行い、その後外したが、溶接金属中央部に高温割れが発生した。このため、継手の耐疲労特性が悪かった。
比較例３では、裏当金なしで、上向溶接と下向溶接とを組み合わせたものだが、架橋目的である上向溶接のパスの回数が１パスで少なく、架橋が十分に形成されなかったため、下向溶接時に溶落ちが発生した。また、継手の耐疲労特性が悪かった。
【００８８】
比較例４では、裏当金なしで、上向溶接と下向溶接とを組み合わせたものだが、上向溶接の鋼板Ａ側の端面を２層に積層することにより、下向溶接時に溶落ちしなかった。しかし、鋼板Ｂ側の裏面に架橋後のパスによる積層を行っていないので、上向溶接による溶接ビードの厚さが薄いため、継手疲労強度が悪かった。
比較例５では、裏当金なしで、上向溶接と下向溶接とを組み合わせたものだが、鋼板Ｂ側の裏面に架橋後のパスの積層を適切に行ったため、溶込み交差角度θも良好で継手疲労強度の改善が認められた。しかし、鋼板Ａ側の端面を２層積層していないので、下向溶接時に溶け落ちた。
比較例６では、裏当金なしで、上向溶接と下向溶接とを組み合わせたものであり、鋼板Ａ側の鉛直端面を肉盛するパスを複数回した後、鋼板Ｂ側の裏面への架橋後の１パスの積層を行った。しかし、鋼板Ｂ側の裏面への架橋後の最終パスは入熱が高かったことから、母材−溶接金属境界線Ｗの交差角度θが１３５度を超え、継手の耐疲労特性は悪かった。
【００８９】
比較例７では、裏当金なしで、上向溶接と下向溶接とを組み合わせたものであり、鋼板Ａ側の鉛直端面を肉盛するパスを複数回した後、鋼板Ｂ側の裏面への架橋後の２パスの積層を行った。しかし、比較例７では、鋼板Ｂ側の裏面への架橋後の最終パスの入熱が高かったことから、母材−溶接金属境界線Ｗの交差角度θが１３５度を超え継手の耐疲労特性が悪かった。
比較例８では、裏当金なしで、上向溶接と下向溶接とを組み合わせたものであり、ルートギャップＧが広いことから、鋼板Ａ側の鉛直端面を肉盛するパスを複数回した後、鋼板ＢのルートギャップＧを架橋する溶接を行った。しかし、比較例８では、架橋後の積層を行わなかったため、継手の耐疲労特性が悪かった。
比較例９では、裏当金なしで、上向溶接と下向溶接とを組み合わせたものであり、上向溶接にソリッドワイヤを用いた。ルートギャップＧが広いことから、鋼板Ａ側の鉛直端面を肉盛するパスを複数回した後、鋼板ＢのルートギャップＧを架橋する溶接を行った。しかし、比較例９では、架橋後の積層を行わなかったため、継手の耐疲労特性が悪かった。
比較例１０では、裏当金なしで、上向溶接と下向溶接とを組み合わせたものであり、上向溶接の鋼板Ａ側の端面を２層に積層することにより、下向溶接時に溶落ちしなかった。１パス目の入熱調整で母材−溶接金属境界線Ｗの交差角度θが１３５度以下とはなったが、架橋後の積層を行わなかったため、上下モーメントのバランスが悪く、応力集中が裏側に集中して改善しなかったため、継手の耐疲労特性は悪かった。
【００９０】
このように、比較例１〜４，６〜９では、母材−溶接金属境界線Ｗの交差角度θが１３５度を超えて、疲労試験の破断回数による継手の耐疲労特性が悪かった。なお、比較例５では、母材−溶接金属境界線Ｗの交差角度θが１３５度以下の９０度で、疲労試験の破断回数による継手の耐疲労特性も良好であったが、下向溶接の際に溶落ちが発生するという結果になった。
これに対して、実施例１は、実施例Ｎｏ．１〜１８の全てで、母材−溶接金属境界線の溶込み交差角度θが１３５度以下になり、溶接性及び継手の耐疲労特性が良好で、溶落ちがなかった。
【実施例２】
【００９１】
次に、図７及び図８を参照して、比較例と比較しながら本発明に係るアーク溶接方法の実施例２を説明する。
図７は、実施例２の比較例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。図８は、本発明に係るアーク溶接方法の実施例２を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図である。
【００９２】
実施例２は、実際の鉄骨造の建築において最も多用される形式である梁貫通式あるいは通しダイヤフラム式と呼ばれる柱−梁構造への本発明のアーク溶接方法を適用したものである。
【００９３】
≪実施例２の比較例について≫
まず、図７（ａ）〜（ｃ）を参照して比較例を説明する。
図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、第１鋼材Ａ６００は、鉄骨建築の柱を形成する角形鋼管からなり、上下方向に延設されたコラム部Ａ６１０と、コラム部Ａ６１０に挿入結合された上通しダイヤフラムＡ６２０と、この上通しダイヤフラムＡ６２０の下方に挿入結合された下通しダイヤフラムＡ６３０と、を有する。
【００９４】
第２鋼材Ｂ６００は、第１鋼材Ａ６００に溶接される梁であり、Ｈ形鋼からなる。第２鋼材Ｂ６００は、コラム部Ａ６１０に隅肉溶接された側面ウェブＢ６１０と、上通しダイヤフラムＡ６２０に裏当金Ｓ６１０を当てて下向溶接で完全溶込み接合された上フランジＢ６２０と、下通しダイヤフラムＡ６３０に裏当金Ｓ６２０を当てて下向溶接で完全溶込み接合された下フランジＢ６３０と、を有している。
【００９５】
上通しダイヤフラムＡ６２０と上フランジＢ６２０との溶接箇所、及び、下通しダイヤフラムＡ６３０と下フランジＢ６３０との溶接箇所に、いずれも裏当金Ｓ６１０，Ｓ６２０を使用して、ワイヤ組成がＳＷ１のソリッドワイヤと炭酸ガスシールドの組み合せで全パスで下向姿勢によって溶接された。そして、溶接後、実施例１と同様に、本テストワークを用いて耐震性評価試験を実施した。
【００９６】
具体的には、コラム部Ａ６１０を固定し、両梁のスティフナ位置の上下から第２鋼材Ｂ６００の耐力の１．２倍の荷重を上下振幅方向に周期的に作用させ、上フランジＢ６２０と下フランジＢ６３０のどちらかの破断までの回数を測定したところ、２１回であった。その破断した位置は、下フランジＢ６３０と下通しダイヤフラムＡ６３０との溶接部であり、裏当金Ｓ６２０によって不可避的に生じる切欠部から下フランジＢ６３０に上方に向かって亀裂が進展していた。
【００９７】
すなわち、第２鋼材Ｂ６００である梁のＨ形鋼全体への負荷応力に対しては、上フランジＢ６２０の外側（上側）に形成された余盛溶接のビード形状よりも、下フランジＢ６３０の外側（下側）に形成された裏当金Ｓ６２０がある部位のビード形状の方が著しく応力が集中し易いことを示している。逆に、上フランジＢ６２０に下側の裏当金Ｓ６１０と、下フランジＢ６３０の上側の溶接余盛は、相対的に耐震性に対して支配要因では無いことも示している。
【００９８】
≪実施例２について≫
図８（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明の実施例２の基本的な構造は、前記した図７（ａ）〜（ｃ）に示す実施例２の比較例と比較して、第１鋼材Ａ３及び第２鋼材Ｂ３と、第１鋼材Ａ６００及び第２鋼材Ｂ６００とが、同一である点で似ている。本発明の実施例２と比較例とは、実施例２が、下フランジＢ３３と下通しダイヤフラムＡ３３との溶接部の開先に裏当金を設けていない点と、その下フランジＢ３３と下通しダイヤフラムＡ３３との溶接部の開先の裏側を上向溶接して架橋した後、開先の表側を下向溶接で充填溶接と余盛溶接とを行う点と、が相違している。
【００９９】
第１鋼材Ａ３は、コラム部（図示省略）と、上通しダイヤフラムＡ３２と、下通しダイヤフラムＡ３３と、を有する角形鋼管からなる。
第２鋼材Ｂ３は、コラム部（図示省略）に隅肉溶接された側面ウェブＢ３１と、上通しダイヤフラムＡ３２に裏当金Ｓを当てて下向溶接で完全溶込み接合された上フランジＢ３２と、下通しダイヤフラムＡ３３に上向溶接と下向溶接とで接合された下フランジＢ３３とを有したＨ形鋼の梁からなる。
【０１００】
バッキングレスの下フランジＢ３３と下通しダイヤフラムＡ３３との溶接の際には、最初に、ワイヤＷＦ１と炭酸ガスシールドで上向姿勢の溶接を行って架橋させた。このルートギャップＧを架橋する溶接に１パスを要した。その後、「下通しダイヤフラムＡ３３側（第１鋼板Ａ側）の端面の鉛直方向に＋１パス」、及び、「下フランジＢ３３(第２鋼板Ｂ側)の裏側の水平方向に＋架橋後１パス以上」を兼用して幅広にウィービングしながら計２パス（図２（ｂ）と同じ積層法）で開先の裏側の溶接を行った。
【０１０１】
その後、上フランジＢ３２の溶接法と同様に、溶接ワイヤ２を下向きにしてＳＷ１のソリッドワイヤと炭酸ガスシールドの組み合せで開先Ｄの充填溶接及び余盛溶接を行った。上向溶接とその後の下向溶接によって形成される下フランジＢ３３の溶接部の断面の母材−溶接金属境界線Ｗの角度θは、１０１度であることを確認した。
【０１０２】
この後、テストワークを用いて前記した比較例と同一の耐震性評価試験を実施した。その結果、第１鋼材Ａ３とこの第１鋼材Ａ３に溶接して連結した第２鋼材Ｂ３は、４５回で破断した。その破断位置は、下フランジＢ３３と下通しダイヤフラムＡ３３との溶接部であり、裏側の最終ビードの止端部から表側に向けて進展していたが、母材−溶接金属境界線Ｗとは一致していなかった。したがって、溶込み交差角度θが、１３５度以下になり、溶接性及び継手の耐疲労特性が進展したことが確認できた。
【０１０３】
このように、本発明のアーク溶接方法は、従来の溶接方法に対して、下フランジＢ３３の溶接に本発明のアーク溶接方法を用いることにより、応力集中が改善されて、疲労試験で破断する破断回数が２倍以上に大きくなり、耐震性及び耐疲労特性を有する接合構造様式に改善することができることを確認した。
なお、下フランジＢ３３と合わせて上フランジＢ３２にも本発明のアーク溶接方法を用いることにより、さらに、耐震性及び耐疲労特性を向上できることは明らかである。
【符号の説明】
【０１０４】
１      溶接トーチ
２      溶接ワイヤ
Ａ      鋼板（第１鋼材）
Ａ１    第１鋼板（第１鋼材）
Ａ２，Ａ３  第１鋼材
Ａ２２，Ａ３２  上通しダイヤフラム
Ａ２３，Ａ３３  下通しダイヤフラム
Ｂ      鋼板（第１鋼材）
Ｂ１    第２鋼板（第２鋼材）
Ｂ２，Ｂ３  第２鋼材
Ｂ２２，Ｂ３２  上フランジ
Ｂ２３，Ｂ３３  下フランジ
Ｄ，Ｄ１  開先
Ｆ      溶接ビード（溶接金属）
Ｆａ    上向溶接の溶接ビード
Ｆｂ    下向溶接の溶接ビード
Ｆ１    １パス目の溶接ビード
Ｆ２    ２パス目の溶接ビード
Ｆ３    ３パス目の溶接ビード
Ｆ４    ４パス目の溶接ビード
Ｗ      母材−溶接金属境界線
θ，θ２  母材−溶接金属境界線の角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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