(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一方の部材に開先を有する構造部材を溶接接合する方法であって、
溶接されるべき端部同士を突き合わせて該開先部の溶接をする工程と、
前記開先を有する部材の表面側の開先端から、前記開先を有する部材の材軸方向に５ｍｍ以上の距離の範囲まで、且つ、前記開先を有する部材における前記表面側の開先端から最も離れた位置にある第１の溶接ビードの止端から、該第１の溶接ビードの上に重ね溶接された第２の溶接ビードの止端までの距離が、１５ｍｍ以下である化粧盛溶接をする工程とを有することを特徴とする構造部材の溶接方法。
【請求項２】
少なくとも一方の部材に開先を有する構造部材を溶接接合する方法であって、
前記開先を有する部材において、表面側の開先端から材軸方向に５ｍｍ以上の距離の範囲まで、且つ、前記開先を有する部材における前記表面側の開先端から最も離れた位置にある第１の溶接ビードの止端から、該第１の溶接ビードの上に重ね溶接された第２の溶接ビードの止端までの距離が、１５ｍｍ以下である化粧盛溶接をする工程と、
前記化粧盛溶接をされた部材と他の溶接されるべき部材の端部同士を突き合わせて前記開先部および前記化粧盛溶接部の上層に溶接をする工程とを有することを特徴とする構造部材の溶接方法。
【請求項３】
少なくとも一方の部材に開先を有する構造部材の溶接接合部であって、
該開先部を突き合わせて溶接された突き合わせ溶接部と、
それに連続して、前記開先を有する部材の表面側の開先端から、前記開先を有する部材の材軸方向に５ｍｍ以上の距離の範囲まで、且つ前記開先を有する部材における前記表面側の開先端から最も離れた位置にある第１の溶接ビードの止端から、該第１の溶接ビードの上に重ね溶接された第２の溶接ビードの止端までの距離が、１５ｍｍ以下である化粧盛溶接部を有していることを特徴とする構造部材の溶接接合部。
【請求項４】
少なくとも一方の部材に開先を有する構造部材の溶接接合部であって、
前記開先を有する部材の表面側の開先端から、前記開先を有する部材の材軸方向に５ｍｍ以上の距離の範囲まで、且つ、前記開先を有する部材における、前記表面側の開先端から最も離れた位置にある第１の溶接ビードの止端から、該第１の溶接ビードの上に重ね溶接された第２の溶接ビードの止端までの距離が、１５ｍｍ以下である化粧盛溶接部と、
前記化粧盛溶接をされた部材と他の溶接されるべき部材の端部同士を突き合わせて前記開先部および前記化粧盛溶接部の上層が溶接された溶接部を有することを特徴とする構造部材の溶接接合部。
【請求項５】
少なくとも一方の部材に開先を有する構造部材の溶接接合部であって、
該開先を有する部材において、表面側の開先端から材軸方向に複数の溶接ビードからなる化粧盛溶接をすることにより、該化粧盛溶接により靱性を改善された、前記開先を有する構造部材表面に略平行した化粧盛溶接熱影響部を有することを特徴とする請求項３または４に記載の構造部材の溶接接合部。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、建築・土木分野における構造部材および厚板構造部材の溶接方法並びに溶接接合部に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、構造部材を接合する場合には、ボルト接合や溶接接合が用いられている。特に、溶接は、部材点数が最少に抑えられ、施工の迅速性やコスト競争力等の優位性から多用されている。しかしながら、溶接接合には溶接熱影響部（以下、ＨＡＺという）の靱性低下という問題がある。特に、建物に外力が作用する際に高応力となることが予想される部位、たとえば、通しダイアフラムと柱材との溶接接合部においては大きな問題となる。
【０００３】
従来、ダイアフラムと柱材を工場で溶接する際には、例えば、柱側鋼板に３０〜４５度程度の開先角度をとって、完全溶け込み溶接が行なわれている。この時の溶接部およびその周辺部は、高強度部の溶接金属、ＨＡＺ等により構成されている。通常、ＨＡＺは母材（鋼材）部に対して強度が低下し、また靭性も低下していることが多い。
【０００４】
そのため、溶接部近傍に応力集中が発生し溶接部近傍から延性亀裂が生じたとすると、延性亀裂の性質として、応力の方向に対してほぼ鉛直（この場合は板厚方向）に、且つ、強度や靱性の小さい領域を伝播していくことになる。
【０００５】
特に、柱−ダイアフラム接合部においては、引張応力に加えて曲げ応力もかかる。ダイアフラムや溶接金属の余盛による拘束効果により、応力最大点はダイアフラムよりも遠い位置に生じるが、例えば、レ形開先をとった溶接接合部では、その開先面にほぼ平行に生成するＨＡＺ又は溶融線に沿って亀裂が伝播していく可能性が高かった。
【０００６】
図９は、従来の溶接技術における、溶接接合部の断面説明図である。
図９において、１１は柱材、１３は裏当て金、２０は通しダイアフラム、３０は溶接金属、４０は溶接金属熱影響部である。
柱材１１の端部は、通しダイアフラム２０と溶接金属３０により溶接接合されている。
【０００７】
図１０は、「冷間成形角形鋼管設計・施工マニュアル」（日本建築センター発行）に示された化粧盛溶接に相当する修正ビードの説明図である。
図１０において、３０は溶接金属、３１は化粧盛溶接金属である。
上記マニュアルに「・・溶接の後、→の所（溶接トウ部）の形状を修正するために、修正ビードを盛る場合、・・・」と記載されているように、通常、化粧盛溶接は、形状の修正が主目的である。
【０００８】
また、図１１は、特開２０００−１５８１２７号公報に開示されたアレスト性に優れた鋼材を用いた溶接接合方法を説明する斜視図である。図１１において、１１、１２は角形鋼管、２０は通しダイアフラム、２１はアレスト性に優れた鋼材、２はＨ形鋼である。これは脆性破断を防ぐ方法として、溶接線を応力のかかる方向に対し２０度以上の角度をもたせ、脆性亀裂の伝播をアレスト性に優れた鋼材で遮断停止させようとするものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術には下記の課題があった。即ち、図１０において、不用意に化粧盛溶接を行うと、母材を硬化させてしまい、かえって材質を劣化させる場合があった。つまり、こうした現象は鋼板の強度によらず発生するため、どのような高品質・高強度材料を使用しても、溶接部からの破壊が先行してしまい、高品質・高強度材としての性能を十分発揮するに至らなかった。
【００１０】
また、圧延時に、添加元素を増やさずに熱サイクルと塑性加工を工夫することによって材質を細粒化し、高強度化を実現した鋼材の場合であっても、溶接時の入熱により、圧延時に細粒化された組織が温度制御圧延される前の粒子サイズに戻ってしまい、母材の靭性が大きく低下してしまう結果にもなっていた。
【００１１】
また、開先をとって溶接した部分において、開先面にほぼ平行に生成されるＨＡＺや溶融線に沿って亀裂が伝播するという、溶接部付近のディテールに支配される要因については、鋼材の材質改善効果だけでは十分な効果を期待することができなかった。
【００１２】
図１１においては、応力方向に対して溶接線を斜めにすることで、応力集中部付近にかかる溶接部領域を小さくしている。しかしながら、互いの材軸方向が一致しない部材同士の溶接に当従来技術を利用することは、幾何学的に不可能であるため、柱とダイアフラムの溶接のように、互いの材軸が直交または０度以外の角度を有する部分の溶接には用いることができなかった。更に、各接合部分を斜めに切断することは、鋼材の歩留の極端な低下や、難しい溶接を行うことによって、大幅なコスト増を招いていた。
【００１３】
なお、溶接部の共通の課題として、溶接金属からなる高強度部に十分な余盛や強度がない場合には、通常軟化したＨＡＺ近傍から発生する亀裂が、溶接金属部から生じる恐れもあった。
本発明は、以上の問題点を解決するものであって、母材の靱性低下を最小に抑え、溶接部近傍に発生した亀裂を母材内に伝播させて、母材内で亀裂の伝播を制御することができる構造部材の溶接方法および溶接接合部を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも一方の部材に開先を有する構造部材を溶接接合する方法であって、溶接されるべき端部同士を突き合わせて該開先部の溶接をする工程と、前記開先を有する部材の表面側の開先端から、前記開先を有する部材の材軸方向に５ｍｍ以上の距離の範囲まで、化粧盛溶接をする工程とを有することを特徴としている。
なお、ここで云う「化粧盛溶接」は、形状の修正を主目的とし強度的には殆ど期待されていない一般的な化粧盛溶接以外に、突き合わせ溶接部と同様に強度を期待する溶接も含む。
【００１５】
また、本発明は、少なくとも一方の部材に開先を有する構造部材を溶接接合する方法であって、前記開先を有する部材において、表面側の開先端から材軸方向に５ｍｍ以上の距離の範囲まで、該表面に化粧盛溶接をする工程と、前記化粧盛溶接をされた部材と他の溶接されるべき部材の端部同士を突き合わせて前記開先部および前記化粧盛溶接部の上層に溶接をする工程とを有することを特徴としている。
【００１６】
更に、本発明は、少なくとも一方の部材に開先を有する構造部材を溶接接合する方法であって、溶接されるべき端部同士を突き合わせて該開先部の溶接をする工程と、前記開先を有する部材の表面側の開先端から、前記開先を有する部材の材軸方向に５ｍｍ以上の距離の範囲まで、且つ、前記開先を有する部材における前記表面側の開先端から最も離れた位置にある第１の溶接ビードの止端から、該第１の溶接ビードの上に重ね溶接された第２の溶接ビードの止端までの距離が、１５ｍｍ以下である化粧盛溶接をする工程とを有することを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明は、少なくとも一方の部材に開先を有する構造部材を溶接接合する方法であって、前記開先を有する部材において、表面側の開先端から材軸方向に５ｍｍ以上の距離の範囲まで、且つ、前記開先を有する部材における前記表面側の開先端から最も離れた位置にある第１の溶接ビードの止端から、該第１の溶接ビードの上に重ね溶接された第２の溶接ビードの止端までの距離が、１５ｍｍ以下である化粧盛溶接をする工程と、前記化粧盛溶接をされた部材と他の溶接されるべき部材の端部同士を突き合わせて前記開先部および前記化粧盛溶接部の上層に溶接をする工程とを有することを特徴とするものである。
【００１８】
更にまた、本発明は、少なくとも一方の部材に開先を有する構造部材の溶接接合部であって、該開先部の突き合わせ溶接部と、それに連続して、前記開先を有する部材の表面側の開先端から、前記開先を有する部材の材軸方向に５ｍｍ以上の距離の範囲まで、化粧盛溶接された化粧盛溶接部を有していることを特徴とする構造部材の溶接接合部である。
【００１９】
また、本発明は、少なくとも一方の部材に開先を有する構造部材の溶接接合部であって、該開先部の突き合わせ溶接部と、それに連続して、前記開先を有する部材の表面側の開先端から、前記開先を有する部材の材軸方向に５ｍｍ以上の距離の範囲まで、且つ、前記開先を有する部材における、前記表面側の開先端から最も離れた位置にある第１の溶接ビードの止端から、該第１の溶接ビードの上に重ね溶接された第２の溶接ビードの止端までの距離が、１５ｍｍ以下である化粧盛溶接部とを有することを特徴とする構造部材の溶接接合部である。
【００２０】
また、本発明は、少なくとも一方の部材に開先を有する構造部材の溶接接合部であって、該開先を有する部材において、表面側の開先端から材軸方向に複数の溶接ビードからなる化粧盛溶接をすることにより、該化粧盛溶接により靱性を改善された、前記開先を有する構造部材表面に略平行した化粧盛溶接熱影響部を有することを特徴とするものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る構造部材の溶接方法を、工程を追って説明する断面図である。（ａ）は、突き合わせ溶接が終了した状態を示し、（ｂ）は、化粧盛溶接（以下、化粧盛という）３１が終了した状態を示す。図１（ｂ）において、柱材１１の端部に開先１１０が加工され、通しダイアフラム２０に溶接接合されている。突き合わせ溶接による溶接金属３０の柱材１１側には化粧盛３１が溶接されている。
【００２２】
このため、柱材１１には、溶接金属３０に起因する開先面に対してほぼ平行な溶接金属熱影響部（ＨＡＺ１）４０と、化粧盛３１に起因する柱材の表面に略平行の（角度の浅い）化粧盛熱影響部（ＨＡＺ２）４１との２種類のＨＡＺが生じている。したがって、溶接部が曲げられた際、化粧盛３１に表面亀裂が発生し、この表面亀裂は化粧盛３１および化粧盛熱影響部（ＨＡＺ２）４１を貫通して、矢印Ｘ方向に柱材１１内へと伝播して行く。
【００２３】
実施の形態２
図２（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る構造部材の溶接方法を、工程を追って説明する断面図である。（ａ）は、突き合わせ溶接に先行して化粧盛３１を行った状態を示しており、（ｂ）は、化粧盛３１の後突き合わせ溶接が終了した状態を示す。図２における、各部の符号は、図１における符号に準じて表示されている。
【００２４】
図２において、柱材１１の端部に開先１１０が加工され、通しダイアフラム２０との突き合わせ溶接による溶接接合に先立って化粧盛３１がなされる。突き合わせ溶接は化粧盛３１による溶接の後に行われる。この場合、化粧盛３１は、突き合わせ溶接には影響されないため、化粧盛３１による溶接精度、強いては、化粧盛３１による化粧盛熱影響部（ＨＡＺ２）４１の状態を好ましい形で得ることができる。
【００２５】
即ち、本実施の形態２の場合は、化粧盛３１による化粧盛熱影響部（ＨＡＺ２）４１の精度が、突き合わせ溶接の精度に殆ど関係なく得られる有利さがある。この方法によれば、溶接部に発生した亀裂の進行方向に大きく影響するＨＡＺ２の長さ、厚さを、適正なものに制御設定することができる。
【００２６】
化粧盛３１を突き合わせ溶接に先立って行うことにより、突き合わせ溶接の作業精度とは関係なく化粧盛３１によるＨＡＺ２の精度を上げ、好ましいＨＡＺ２の状態を得ることができる。
【００２７】
また、化粧盛３１は、強度を期待しているため、或る厚さ以上が望ましい。開先を有する部材の表面側の開先端の位置における溶接余盛厚さは、０．１ｔ（但し、ｔは開先を有する部材の板厚）程度の厚さ以上あることが好ましい。なお、この部分における余盛厚さが０．１ｔ以下では、溶接部の強度が不足し、ＨＡＺ２近傍より先に溶接金属部から亀裂が発生する可能性がある。
【００２８】
実施の形態３
図３は、本発明の他の実施の形態３に係る構造部材の溶接接合部である。特に溶接ビードの断面形状に注目した場合の断面説明図である。また、図４は、ＨＡＺ２に注目した場合の溶接接合部の断面説明図である。
３１１は第１の溶接ビード、３１２は第２の溶接ビード、３１３は第３の溶接ビード、４０はほぼ開先面に沿って生じた溶接金属熱影響部（ＨＡＺ１）、４１は部材表面にほぼ平行に生じた化粧盛熱影響部（ＨＡＺ２）、Ａは開先を有する部材の表面側の開先端（以下、Ｋ点という）から最も離れた位置にある第１の溶接ビードの止端までの距離、Ｂは前記第１の溶接ビードの止端から、該第１の溶接ビードの上に重ね溶接された第２の溶接ビードの止端までの距離を示す。他の符号は、図１および２に準じる。
【００２９】
本発明の効果を確認するために、次の実験を行った。
亀裂の発生点を、開先を有する部材における、表面側の開先端から最も離れた位置にある溶接ビード止端部と仮定し、試験片表面が部材表面より−１ｍｍの位置となるよう採取したシャルピー衝撃試験片に表面ノッチ（２ｍｍＶノッチ、図５にＣ点で示す）を入れる。図５はその状態を示し、図６は試験片のノッチ位置を示す。ノッチは、開先を有する部材の表面側の開先端（Ｋ点）からの距離ａを２、５、１０、および１５ｍｍとした位置に設けた。ここで距離ａは、開先を有する部材の材軸方向に溶接接合部から外側に向かっての距離である。
【００３０】
これら試験片の０℃における、シャルピー衝撃試験結果を図７および図８に示す。図７は、Ｋ点からの距離ａを横軸にとり、縦軸に各溶接部の破面遷移温度における吸収エネルギーをとった。
図７より、Ｋ点からの距離ａが５ｍｍ以上の場合に靱性が増加していることがわかった。なお、距離ａは溶接コストの点から部材の板厚の３倍程度以下とすることが望ましい。
【００３１】
また、図８は、前記第１の溶接ビードの止端から、該第１の溶接ビードの上に重ね溶接された第２の溶接ビードの止端までの距離Ｂを横軸にとり、破面遷移温度における吸収エネルギーの最大値を１としたときの比率（靱性低下率）を縦軸にとったものである。
図８より、第１の溶接ビードの止端から第２の溶接ビードの止端までの距離Ｂが１５ｍｍ以下の場合において吸収エネルギーは最大値の９割以上が確保でき、靱性低下がみられないことが明らかとなった。更に、距離Ｂは８ｍｍ以下においてその効果は大きくなる。
【００３２】
更に云えば、柱梁接合部における柱材とダイアフラムとの溶接では、溶接ビードの余盛高さやダイアフラムによる拘束効果によって、応力最大点はダイアフラムより若干遠い位置（例えば３ｔ程度  ｔ：部材の板厚）に生じるのが通常である。このダイアフラムの拘束効果とともに、本発明の溶接方法により、溶接部の靱性が改善され、開先面近くからの亀裂発生に対する安全性を更に高めることができる。梁フランジとダイアフラムとの溶接においても、同様の効果が得られる。
更に、溶接ビード面を滑らかに仕上げれば、より高い安全性を得ることができる。
【００３３】
なお、開先を有する部材における表面側の開先端から最も離れた位置にある第１の溶接ビードの上に重ね溶接される第２の溶接ビードは、溶接熱影響部が溶接による再熱効果を得るために、第１の溶接ビードの溶接の直後に施工することが望ましい。
好ましくは、第１の溶接ビードの温度が５０℃以上であるうちに、第２の溶接ビードの溶接を施工する。
【００３４】
実施の形態４
開先を有する部材を角形鋼管とし、それに突き合わせ溶接される他の構造部材をダイアフラムとして実大試験体を製作し、実施の形態３と同様の試験を行った。
結果、実施の形態３の場合と同様の効果が確認された。開先を有する部材を円形鋼管、溶接組み立て四面ＢＯＸとした場合にも同様の効果が確認された。
また、角形鋼管の材質に建築用高張力鋼を用いて、同様に実大試験体を製作し、同様の試験を行った結果、溶接接合部においても高い靱性が得られることを確認した。
【００３５】
【発明の効果】
本発明は、次の効果を得ることができる。
１）開先面にほぼ平行に生成されるＨＡＺ１や溶融線に沿った亀裂の伝播を避けることができる。
２）溶接部に発生した表面亀裂を母材内に伝播させ、接合部の強度低下を最小に抑えることができる。
３）従って、亀裂発生後も母材の機械的性質に基づいた挙動を示すため、溶接された構造部材の破損を防止することができる。
４）高品質、高強度化された鋼板の性能を十分発揮する溶接接合部により、より確実に接合部の強度低下、破損が防止され、より信頼性のある溶接構造物を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１の工程において、（ａ）突き合わせ溶接が終了した状態を示す断面図、および（ｂ）化粧盛溶接が終了した状態を示す断面図である。
【図２】  本発明の実施の形態２の工程において、（ａ）化粧盛溶接が終了した状態を示す断面図、および（ｂ）突き合わせ溶接が終了した状態を示す断面図である。
【図３】  本発明の実施の形態３における、構造部材の溶接接合部の断面説明図である。
【図４】  本発明の実施の形態３における、構造部材の溶接接合部の断面説明図である。
【図５】  本発明の実施の形態３における、シャルピー衝撃試験片の採取位置を示す断面説明図である。
【図６】  図５における、試験片のノッチ位置を示す説明図である。
【図７】  本発明の実施の形態３における、距離ａと吸収エネルギーの関係を示す図表である。
【図８】  本発明の実施の形態３における、距離Ｂと靱性低下率の関係を示す図表である。
【図９】  従来の溶接技術における溶接接合部の断面説明図である。
【図１０】  従来の溶接技術における化粧盛溶接を説明する断面説明図である。
【図１１】  従来の建築構造部材の溶接方法を説明する説明図である。
【符号の説明】
１１：柱材、１１０：開先、１３：裏当て金、２０：通しダイアフラム、３０：溶接金属、３１：化粧盛溶接、３１１：第１の溶接ビード、３１２：第２の溶接ビード、３１３：第３の溶接ビード、４０：溶接金属熱影響部（ＨＡＺ１）、４１：化粧盛熱影響部（ＨＡＺ２）、４２：溶融線、５０：シャルピー試験片、Ｘ：亀裂伝播方向、Ｋ：開先を有する部材の表面側の開先端、Ａ：Ｋ点からＫ点より最も離れた位置にある第１の溶接ビードの止端までの距離、Ｂ：第１の溶接ビードと第２のビードの止端間の距離、ａ：Ｋ点からノッチ位置Ｃまでの距離、Ｃ：ノッチ位置。
【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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