(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溶接方法であって、
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伝熱テープを貼付する工程と、
溶接されるべき端部同士を突き合わせて、前記開先部の突き合わせ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】
前記開先を有する部材において、
前記表面側の開先端と、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との距離が３ｍｍ以上で、且つ、該第１の溶接ビードが前記伝熱テープ上に盛られていることを特徴とする請求項１に記載の構造部材の溶接方法。
【請求項３】
前記開先を有する部材において、
前記第１の溶接ビードの止端から、前記第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以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の構造部材の溶接方法。
【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伝熱テープを貼付け、溶接されるべき端部同士を突き合わせて前記開先部の突き合わせ溶接をすることによって、前記開先を有する部材の表面に略平行な溶接熱影響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】
前記開先を有する部材において、
前記表面側の開先端と、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との距離が３ｍｍ以上で、且つ、該第１の溶接ビードが前記伝熱テープ上に盛られていることを特徴とする請求項４に記載の構造部材の溶接接合部。
【請求項６】
前記開先を有する部材において、
前記第１の溶接ビードの止端から、前記第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以下であることを特徴とする請求項４または５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】
本発明は、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行われている。特に、溶接は部材点数が最小に抑えられ、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）の靭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、例えば、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等によって構成されている。通常、ＨＡＺは母材（鋼材）部に対して強度および靭性が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（この場合板厚方向）に、且つ、強度や靭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、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、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。
【０００７】
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。
【０００８】
【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、不用意に余盛部分に相当する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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
特開２０００−１５８１２７号における技術は、図１１に示すように、応力集中部付近にかかる溶接部領域を小さくすることを目的として応力方向に対して溶接線を斜めにする技術であるが、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。
【００１２】
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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
（１）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溶接方法であって、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伝熱テープを貼付する工程と、溶接されるべき端部同士を突き合わせて、前記開先部の突き合わせ溶接をする工程とを有するものである。
【００１４】
（２）本発明は、前記（１）の開先を有する部材において、前記表面側の開先端と、前記開先を有する部材の表面側の開先端から最もはなれた位置にある溶接ビード（以下、第１の溶接ビードという）の止端との距離が３ｍｍ以上で、且つ、該第１の溶接ビードが前記伝熱テープ上に盛られているものである。
【００１５】
（３）本発明は、前記（１）または（２）の開先を有する部材において、前記第１の溶接ビードの止端から、前記第１の溶接ビードの上に重ね溶接された溶接ビード（以下、第２の溶接ビードという）の止端までの距離を１５ｍｍ以下としたものである。
【００１６】
（４）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、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伝熱テープを貼付け、溶接されるべき端部同士を突き合わせて前記開先部の突き合わせ溶接をすることによって、前記開先を有する部材の表面に略平行な溶接熱影響部を有するものである。
【００１７】
また、（５）本発明は、前記（４）の開先を有する部材において、前記表面側の開先端と、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との距離が３ｍｍ以上で、且つ、該第１の溶接ビードが前記伝熱テープ上に盛られているものである。
【００１８】
（６）本発明は、前記（４）または（５）の開先を有する部材において、前記第１の溶接ビードの止端から、前記第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１５ｍｍ以下としたものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１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）は溶接前に伝熱テープを貼付した状態を、（ｂ）は溶接工程を終了した状態を示している。
図１において、１１は開先加工を有する部材（例えば角形鋼管フランジ）、１３は裏当て金、２０は突き合わせ溶接される相手部材（例えばダイアフラム）、３０は溶接金属、３１は伝熱テープを介して部材１１に熱影響を与える溶接金属、４０は溶接熱影響部１（ＨＡＺ１）、４１は溶接熱影響部２（ＨＡＺ２）、４２は溶融線、６０は伝熱テープである。
【００２０】
図１（ａ）は、溶接されるべき部材１１および２０の溶接する面を突き合わせて、溶接前に伝熱テープ６０を貼付した状態を示す図である。この図において伝熱テープ６０は、開先を有する部材の表面側の開先端から所定の距離Ｌ離れた位置まで被覆するように、開先を有する部材の材軸方向に貼付されている。
図１（ｂ）は、溶接金属３０および３１を施工する溶接工程を終了した図を示している。ここで伝熱テープを介して熱影響を与える溶接金属３１は、少なくともその一部が伝熱テープ上にかかるようにする。開先面１１０に沿ってＨＡＺ１４０が生成され、且つ、Ｋ点からＬの距離まで離れた伝熱テープ６０の貼付先端位置までの下部周辺に、部材１１の表面にほぼ平行なＨＡＺ２  ４１が生成されている。従って、この構造部材に対して溶接部に面外曲げなどの力が加えられた場合、ＨＡＺ２の生成された領域および溶融線４２の部材表面付近に亀裂が発生する。なお、この溶接金属３１の全部および一部並びに伝熱テープ６０は、ＨＡＺ２生成後に除去しても構わない。
【００２１】
この亀裂は、ＨＡＺ２  ４１を板厚方向に貫通した後すぐに、開先を有する部材１１の溶接熱影響を受けていない部分（母材の健全部）に伝播し、母材の特性に応じてその亀裂は制御される。
ここで伝熱テープ６０の貼付位置は、Ｋ点から５ｍｍ以上の距離であれば効果が認められるが、コスト高となるため、板厚の３倍程度以下とするのが望ましい。
なお、この伝熱テープ６０は、開先を有する部材１１の母材に熱を伝え、貼付先端位置までの下部周辺にＨＡＺ２  ４１を生成することができるものであるならば、伝熱テープ６０自身の材質はいかなるものでも良い。例えば、耐熱テープ（極薄のガラス繊維製テープ等）、耐熱鋼板、セラミックス板など適宜使用することができる。
また、この伝熱テープ６０の貼付のタイミングは、溶接金属３０の貼付後でも同様の効果が認められる。更に、伝熱テープ６０を貼付後に溶接金属３１の一部を施工し、その後溶接金属３０を施工しても良い。
【００２２】
ここで、開先を有する部材における表面側の開先端から最も遠い位置に止端がある溶接ビードが単一ビードとならないように、該溶接ビードと、そのすぐ上に重ね溶接される溶接ビードとの止端間の距離Ｂは、１５ｍｍ以下となるよう制御する。この距離は、８ｍｍ以下とすると更に効果が高くなる。
なお、溶接による再熱効果を得やすくするために、開先を有する部材における表面側の開先端から最も遠い位置に止端のある溶接ビードと、そのすぐ上に重ね溶接される溶接ビードを施工する際の時間間隔は、あまりあけないようにすることが望ましい。好ましくは、前者の溶接ビードの温度が５０℃以上であるうちに、後者の溶接ビードが施工されるようにする。
【００２３】
この実施の形態１の特徴は、伝熱テープ６０の貼付を開先部に施される溶接工程前に行うことであって、伝熱テープ６０を貼付する際、開先を有する部材における表面側の開先端からの距離Ｌを精度良く決めることができ、また、貼付を確実に行うことができる点にある。また、溶接金属３１と伝熱テープ６０により生成されるＨＡＺ２  ４１の状態は、溶接部にかかる応力により発生する亀裂を制御するために極めて重要なファクターとなっており、これらが精度良く設定されることに大きな意味がある。
【００２４】
実施の形態２
実施の形態２の特徴は、実施の形態１において、伝熱テープ６０による被覆範囲Ｌよりも後退した位置までしか溶接ビード３１が施工されていないことにある。
これは、伝熱テープ６０による熱伝導により、伝熱テープ６０の一部に溶接による入熱があった場合でも、伝熱テープ６０の周辺ほぼ全域にわたってＨＡＺ２４１を生成することができるものである。但し、Ｌが最小のときにもＨＡＺ２４１が確実に生成される必要があるため、溶接金属３１の止端部位置は、開先端Ｋ点より３ｍｍ以上の位置にあることが必要である。
【００２５】
なお、図２は、本発明の構造部材の溶接方法における、溶接ビードの断面形状に注目したときの説明図である。３１１は溶接ビード３１の第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、Ｋは表面側の開先端、ＡはＫ点から第１のビードの止端までの距離、Ｂは第１の溶接ビードの止端と第２の溶接ビードの止端間の距離である。
また、図３は、本発明の構造部材の溶接方法における、溶接熱影響部に注目したときの説明図である。４０は開先面に沿った溶接熱影響部１（ＨＡＺ１）、４１は部材表面にほぼ平行な溶接熱影響部２（ＨＡＺ２）である。
図２、３における各部の符号は、図１に準じ表示されている。
【００２６】
実施の形態３
本発明の効果を確認するために、次の実験１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て、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５０に表面ノッチ（２ｍｍＶノッチ、図４にＣ点で示す）を入れる。図４はその状態を示し、図５はシャルピー試験片５０のノッチ位置Ｃを示す説明図である。なお、ノッチは、開先を有する部材における表面側の開先端（Ｋ点）からの距離ａを２ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、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。
【００２７】
これらの０℃におけるシャルピー衝撃試験結果を、図６および図７に示す。
図６は、Ｋ点からの距離ａを横軸にとり、縦軸には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ものである。
図６より、Ｋ点からの距離ａが５ｍｍ以上で靭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好ましい。
【００２８】
図７は、第１の溶接ビードの止端から、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７より、止端間の距離Ｂが１５ｍｍ以下において吸収エネルギーが最大値の９割以上を確保することができ、靭性低下が見られないことが明らかになった。更に、距離Ｂが８ｍｍ以下において、その効果は大きくなることがわかった。
【００２９】
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、応力最大点は通常ダイアフラムよりも遠い位置（例えば３ｔ程度  ｔ：部材の板厚）に生じるが、本発明の溶接ビードがあることにより溶接部の靱性が改善され、開先端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ことがわかった。この効果は、柱材が角部に冷間加工を受けたロールコラム、プレスコラムの場合でも同様に期待できる。
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。
【００３０】
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。
【００３１】
実施の形態４
更に、本発明の効果を確認するために、次の実験２を行った。
伝熱テープ６０の貼付位置を、Ｌの最小距離５ｍｍとし、第１の溶接ビード３１１の止端部から開先を有する部材における表面側の開先端（Ｋ点）からの距離ｄを２ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍとした試験体を製作した。この断面の概略図を図８に示す。
この試験体から実施の形態３と同様に、試験片表面が部材表面より−１ｍｍの位置となるよう表面ノッチ（２ｍｍＶノッチ）を入れるシャルピー衝撃試験片を採取した。この時ノッチ位置は距離ｄに対応している。
この試験結果を図９に示す。図９において、ｄを５ｍｍとした時の衝撃試験値を１として換算した靱性低下率を縦軸に、横軸にはｄをとって示した。
結果、ｄが２〜３ｍｍの位置以上で靱性値は急激に増大することがわかった。
【００３２】
実施の形態５
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、溶接組立四面ＢＯＸ、および梁フランジとした場合にも、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、溶接部においても高い靱性が得られることを確認した。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、次の効果を得ることができる。
１）開先を有する部材の表面にほぼ平行した溶接熱影響部２（ＨＡＺ２）を制御生成することができる。
２）１）により、開先にほぼ平行に生成される溶接熱影響部１（ＨＡＺ１）や溶融線に沿った亀裂の伝播を避けることができる。
３）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。
４）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、溶接接合された構造部材の破損を防止することができる。
５）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。
【図２】  本発明の構造部材の溶接方法における、溶接接合部の断面説明図である。
【図３】  本発明の構造部材の溶接方法における、溶接接合部の断面説明図である。
【図４】  実施の形態３に基づくシャルピー試験片の採取位置を示す概略図である。
【図５】  シャルピー試験片のノッチ位置を示す説明図である。
【図６】  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７】  本発明の実施の形態３における、距離Ｂ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４におけるシャルピー試験片の採取位置を示す概略図である。
【図９】  本発明の実施の形態４における距離ｄと靱性低下率の関係を示す図表である。
【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：開先を有する部材、１１０：開先、１３：裏当て金、２０：突き合わせ溶接される相手部材、３０：溶接金属、３１：伝熱テープを介して熱影響を与える溶接金属、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：溶接熱影響部１（ＨＡＺ１）、４１：溶接熱影響部２（ＨＡＺ２）、４２：溶融線、５０：シャルピー試験片、６０：伝熱テープ、Ｋ：開先を有する部材の表面側の開先端、ａ：Ｋ点からノッチ位置までの距離、Ａ：Ｋ点から第１の溶接ビード止端までの距離、Ｂ：第１の溶接ビードの止端と第２の溶接ビードの止端間の距離、Ｌ：Ｋ点から伝熱テープ先端までの距離、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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