(57)【要約】【課題】より簡易な溶接継手であっても亀裂発生を遅らせることができる通しダイヤフラム溶接継手構造体を提供する。【解決手段】角形鋼管（１１、１２）とダイヤフラム（２０）とを溶接した継手を含む通しダイヤフラム溶接継手構造体（１０）であって、角形鋼管の端面とダイヤフラムの板面との溶接部である主溶接部（２３）と、角形鋼管とダイヤフラムの板面との入隅部に配置された裏当て金（２１）と、を有し、裏当て金と角形鋼管とは、該角形鋼管の四隅を含んで断続的にで隅肉溶接された隅肉溶接部（２２）を備え、ダイアフラムの板面から隅肉溶接部の止端部までの距離が、ダイアフラムの板面から主溶接部の止端部までの距離より大きくなるように形成されている。【選択図】図２
2015187339.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
角形鋼管とダイヤフラムとを溶接した継手を含む通しダイヤフラム溶接継手構造体であって、
前記角形鋼管の端面と前記ダイヤフラムの板面との溶接部である主溶接部と、
前記角形鋼管と前記ダイヤフラムの板面との入隅部に配置された裏当て金と、を有し、
前記裏当て金と前記角形鋼管とは、該角形鋼管の四隅を含んで断続的に隅肉溶接された隅肉溶接部を備え、
前記ダイアフラムの前記板面から前記隅肉溶接部の止端部までの距離が、前記ダイアフラムの前記板面から前記主溶接部の止端部までの距離より大きくなるように形成された、通しダイヤフラム溶接継手構造体。
【請求項２】
前記角形鋼管の四隅は所定の曲率半径を有して湾曲しており、前記隅肉溶接部は、前記角形鋼管の前記四隅の曲率半径において中心角が４５度以上９０度以下の大きさを有して設けられている、請求項１に記載の通しダイヤフラム溶接継手構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鋼材同士の溶接継手を有する構造体に関し、特に、角形鋼管と通しダイヤフラムとを溶接した溶接継手を含む構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接継手構造体において、突合せ部やＴ字継手部を溶接する際には一方側から溶接するとともに、他方側には裏当て金を配置して溶接金属の裏抜け防止を図っている。角形鋼管と通しダイヤフラムとを溶接した溶接継手構造体についても同様であり、鋼管の内側においてダイヤフラムとの入隅部に裏当て金が配置される。
【０００３】
例えば特許文献１には、裏当て金と母材とを全線にわたって隅肉溶接する技術が開示されている。これにより裏当て金を応力伝達に活用し、溶接金属の強度が母材強度に比べ低い場合でも継手の強度を確保できるとしている。
【０００４】
また特許文献２には、溶接金属がアンダーマッチングの溶接継手であって、裏当て金を母材と隅肉溶接することで継手の強度を確保した溶接継手を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−６７８６３号公報
【特許文献２】特開２０１３−２３０４７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された技術では隅肉を全線に亘って溶接することが必須とされている。一方、特許文献２に記載された技術では母材軸直角方向に対して斜めに形成される裏当て金を準備する必要があり、これも隅肉を全線に亘って溶接することが前提になっている。従って例え強度を確保できたとしてもそのために必要とされるエネルギや工数等が大きくなる問題があった。
【０００７】
そこで本発明は上記問題点に鑑み、より簡易な溶接継手であっても亀裂発生を遅らせることができる通しダイヤフラム溶接継手構造体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】
【０００８】
以下、本発明について説明する。なお、わかりやすさのため、ここでは図面の参照符号を括弧書きで付記するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【０００９】
請求項１に記載の発明は、角形鋼管（１１、１２）とダイヤフラム（２０）とを溶接した継手を含む通しダイヤフラム溶接継手構造体（１０）であって、角形鋼管の端面とダイヤフラムの板面との溶接部である主溶接部（２３）と、角形鋼管とダイヤフラムの板面との入隅部に配置された裏当て金（２１）と、を有し、裏当て金と角形鋼管とは、該角形鋼管の四隅を含んで断続的に隅肉溶接された隅肉溶接部（２２）を備え、ダイアフラムの板面から隅肉溶接部の止端部までの距離が、ダイアフラムの板面から主溶接部の止端部までの距離より大きくなるように形成された、通しダイヤフラム溶接継手構造体である。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の通しダイヤフラム溶接継手構造体（１０）において、角形鋼管（１１、１２）の四隅は所定の曲率半径を有して湾曲しており、隅肉溶接部（２２）は、角形鋼管の四隅の曲率半径において中心角が４５度以上９０度以下の大きさを有して設けられている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、角形鋼管の内側のうち少なくともその四隅部を含み、断続的に裏当て金との隅肉溶接をすることで、十分に亀裂発生を遅らせることができる。従って、より簡易な構造の通しダイヤフラム溶接継手構造体とすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１（ａ）は実施形態の１つの例にかかる通しダイヤフラム溶接継手構造体１０の斜視図、図１（ｂ）はダイヤフラム２０と角形鋼管柱１１及びサイコロ１２との主溶接部２３を拡大した図である。
【図２】通しダイヤフラム溶接継手構造体１０を図１にＩＩで示した方向から見た図である。
【図３】図２にＩＩＩ−ＩＩＩで示した線に沿った断面図である。
【図４】図２にＩＶ−ＩＶで示した線に沿った断面図である。
【図５】図２にＶで示した部位の拡大図である。
【図６】図４にＶＩで示した部位の拡大図である。
【図７】隅肉溶接部の大きさを説明する図である。
【図８】実施例のモデルを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の上記した作用および利得は、次に説明する発明の形態から明らかにされる。以下本発明を図面に示す形態に基づき説明する。ただし本発明はこれら形態に限定されるものではない。
【００１４】
図１（ａ）は形態の１つの例を説明する図で、通しダイヤフラム溶接継手構造体１０の外観を模式的に表した斜視図である。図１（ｂ）は図１（ａ）に矢印Ｉｂで示した部位を拡大して表した図である。図２は通しダイヤフラム溶接継手構造体１０を図１（ａ）に矢印ＩＩで示した方向から見た図であり、ダイヤフラム２０が平面視される方向から見た図である。図３は図２にＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図、図４は図２にＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。
【００１５】
図１〜図４よりわかるように、通しダイヤフラム溶接継手構造体１０は、角形鋼管柱１１、サイコロ１２、梁１３、ダイヤフラム２０、裏当て金２１を有して構成されている。
【００１６】
通しダイヤフラム溶接継手構造体１０は、同軸に配置された角形鋼管である２つの角形鋼管柱１１の向かい合う端面間に柱を構成する部材の１つであるサイコロ（タイコと呼ばれることもある。）１２が配置される。サイコロ１２も角形鋼管により形成され、角形鋼管柱の１つである。これによりサイコロ１２の端面と角形鋼管柱１１の端面とが対向する部位が２か所形成されるが、ここにそれぞれダイヤフラム２０が備えられる。ダイヤフラム２０は角形鋼管柱１１及びサイコロ１２よりも大きな外形を有する板状の鋼材であり、その一方の板面が角形鋼管柱１１の端面に溶接され、他方の板面がサイコロ１２の端面に溶接されている。従って、図１〜図４よりわかるように、柱１１及びサイコロ１２の外周からダイヤフラム２０の外周が突出した形態となる。
【００１７】
次に角形鋼管柱１１、サイコロ１２、及びダイヤフラム２０による溶接継手について説明する。図５には図２にＶで示した部位を拡大した図、図６には図４にＶＩで示した部位を拡大した図をそれぞれ表した。
【００１８】
これら図１〜図６よりわかるように、当該溶接継手では、角形鋼管柱１１の内側とダイヤフラム２０の板面との入隅部、及びサイコロ１２の内側とダイヤフラム２０の板面との入隅部には裏当て金２１が配置されている。
そして、裏当て金２１は、ダイヤフラム２０と接している側とは反対側の端部のうち、角形鋼管柱１１及びサイコロ１２の四隅に、隅肉溶接部２２が設けられている。ここで角形鋼管柱、サイコロの四隅とは、角形である四辺を形成する直線部同士が交差する部位において、いわゆるＲが形成されており所定の曲率を有して湾曲した部位（隅部）を意味する。本形態ではこの湾曲した部位の少なくとも一部に当該隅肉溶接部が形成されていればよい。図７に説明のための図を示した。
図７からわかるように、本形態では所定の曲率半径で湾曲した部位のうち角度θの中心角の大きさで隅肉溶接部２２が形成されている。この角度θは特に限定されることはないが、４５°以上９０°以下であることが好ましい。これにより、さらに確実に亀裂の発生を抑制することができる。
【００１９】
図１〜図６に戻ってさらに溶接継手について説明する。ダイヤフラム２０の表裏面では角形鋼管柱１１、及びサイコロ１２の端面が付き当てられている部分で溶接されて主溶接部２３が形成されている。当該主溶接部２３は突き当てられた部位の全線（全周）に亘って設けられている。上記した裏当て金２１は主溶接部２３を形成する際に用いられる裏当て金である。
【００２０】
ここで、図６に示したように、ダイヤフラム２０の板面から角形鋼管柱１１の表面側の溶接部（主溶接部２３）の止端部ａまでの距離をＡとし、ダイヤフラム２０の板面から隅肉溶接部２２の止端部ｂまでの距離をＢとしたとき、Ｂ＞Ａであるように構成する。これにより上記のように隅肉溶接部２２を角形鋼管の四隅にのみ形成する場合でも亀裂の発生を遅らせることができる。
【００２１】
図１〜図４に戻って通しダイヤフラム溶接継手構造体１０についてさらに説明を続ける。
通しダイヤフラム溶接継手構造体１０では、角形鋼管柱１１の長手方向に対して直交する方向から梁１３の端面をダイヤフラム２０の端面に突き当てて溶接されており、これにより溶接部１５が形成されている。
本形態で梁１３はＨ形鋼であり、平行に設けられて溶接される２つの溶接片１３ａと、これを連結する連結片１３ｂとを有している。そして梁１３のうち溶接する側の端部において、連結片１３ｂは溶接片１３ａとの接続部分が切りかかれてスカラップ１３ｃが形成されている。
【００２２】
梁１３のうち、連結片１３ｂの端面がサイコロ１２の端面に突き当てられ、ダイヤフラム２０の外周端面に溶接片１３ａの端面が突き当てられて溶接され溶接部１５を形成している。溶接部１５が形成される反対側の溶接片１３ａの面には裏当て金１６が配置されている。
【００２３】
以上のように構成される通しダイヤフラム溶接構造体１０によれば、ダイヤフラム２０と角形鋼管である角形鋼管柱１１及びサイコロ１２に設置した裏当て金２１に対して角形鋼管の四隅にのみ隅肉溶接部２２を設けることで、隅肉溶接を全く行わない場合に比べて変形性能を向上させ、亀裂の発生を遅らせることが可能となる。一方、裏当て金の全周に亘って隅肉溶接をした場合と比較しても、変形性能は問題とならない程度の差しかなく、十分な変形性能を確保することができるといえる。
【００２４】
そして、全周に亘って隅肉溶接する場合には、材料を完全に固定するので残留応力が高くなる虞があり、加えてその工程や使用するエネルギの観点から、これらを軽減することが望まれるが、本発明により改善することができる。かかる観点から、上記のように角形鋼管の四隅のみに隅肉溶接を設ける態様に限らず、その少なくとも一部に隅肉溶接をしない部位があり、角形鋼管の四隅を含んで断続的な隅肉溶接がなされていれば上記の効果を奏するものとなる。
【実施例】
【００２５】
実施例では、数値解析により各例において限界塑性率を算出し、部材に必要な性能に対する優位性を評価した。また併せて、溶接に必要とされる時間や労力を算出した。
【００２６】
図８に用いたモデルを表した。図８からわかるように本実施例では角形鋼管の対角線で対称条件を考慮した通しダイヤフラム溶接継手構造体のモデルを用い、３点曲げのＦＥＭ解析を行った。ここでは柱を想定し、軸引張（降伏軸力の３０％）と曲げ変形を同時に受ける条件で解析を行った。柱が曲げ変形を受ける場合、溶接部のうち止端部に最大ひずみが生じ、ここに発生するき裂が破壊の起点となり、柱の変形性能が決まる。そこで最大ひずみが素材の破断伸びに達した時を部材性能の限界とした。
【００２７】
モデルは、角形鋼管の断面の径が４５０ｍｍ×４５０ｍｍ、長さを２ｍとし、その内面の四隅における曲率半径Ｒは６６．５ｍｍとした。肉厚は１９ｍｍとし、解析に用いた材料特性は引張強さ４９０ＭＰａ級の角形鋼管のものとした。これにより幅厚比ランクはＦＡとなる。角部（四隅部）の材料特性については加工硬化を考慮した。
また、図６にＡ、Ｂで示した大きさは、Ａが２０．３ｍｍ、Ｂが３４ｍｍである。ダイアフラムは板厚４０ｍｍ、裏当て金は板厚９ｍｍ、幅２５ｍｍである。
【００２８】
例１では、角形鋼管の四隅にのみ溶接を行ったモデルを作成し、裏当て金における隅肉溶接部を形成した。この例では図７に示したθを９０°とした。
【００２９】
例２では、θを４５°とし、その他について例１と同様である。
【００３０】
例３では、裏当て金における隅肉溶接部がないモデルを用いた。
【００３１】
例４では、裏当て金の全線にわたって隅肉溶接部を形成した。
【００３２】
結果を表１に示した。表１において「パスあたりの溶接線長」は、隅肉溶接において、入熱を３０．０（ｋＪ／ｃｍ）、電圧を３４．０（Ｖ）、電流を３００（Ａ）、溶接速度を２０．４（ｃｍ／分）とし、３パスを想定したときの１パスあたりの溶接線の長さの計算結果である。また「溶接時間」はこのときにおける３パスでの溶接時間である。
「限界塑性率」は、最大ひずみが素材の破断伸びに達したときの塑性率の値とした。「変形性能比」は、ＦＡランクの部材に必要な塑性変形性能が６．００なので、これを１．００としてこれに対する比で表した。
【００３３】
【表１】
2015187339.tif 000003
【００３４】
表１からわかるように、例１、例２のように、角形鋼管の四隅部のみに裏当て金の隅肉溶接を行えば、必要な塑性変形性能を十分に確保することができる。例２のようにθが４５°の場合であっても必要な塑性変形性能を確保することは可能であった。すなわち、角形鋼管の内面全周に亘って溶接する必要なく効果を得ることができるので、施工を省力化し、溶接部の残留応力を低減できる。
例えば例３のように裏当て金の隅肉溶接をしないと、十分な塑性変形性能を確保することができない虞がある。
また、例４のように裏当て金の全周（全長）に亘って隅肉溶接をすると、塑性変形性能は十分確保することができるが、溶接における施工に多くのエネルギや工数を要し、効率的であるとは言えない。表１によれば、例４の場合には例１、例２に対して４倍〜８倍程度の溶接線長及び溶接時間を必要とする。
【符号の説明】
【００３５】
１０  通しダイヤフラム溶接継手構造体
１１  角形鋼管柱（角形鋼管）
１２  サイコロ（角形鋼管）
１３  梁
２０  ダイヤフラム
２１  裏当て金
２２  溶接部（隅肉溶接部）
２３  溶接部（主溶接部）
【図１】
2015187339.tif 000004
【図２】
2015187339.tif 000005
【図３】
2015187339.tif 000006
【図４】
2015187339.tif 000007
【図５】
2015187339.tif 000008
【図６】
2015187339.tif 000009
【図７】
2015187339.tif 000010
【図８】
2015187339.tif 000011