(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼構造物のレ形開先の溶接継手におけるルート側の初層を、ＭＡＧ溶接法又はＭＩＧ溶接法により、母材より低強度で高延性の溶接材料で溶接し、その余の層は前記ＭＡＧ溶接法又はＭＩＧ溶接法、或いはＴＩＧ溶接法により、母材と同等又はそれ以上の強度を有する溶接材料で溶接することを特徴とする、鋼構造物の溶接工法。
【請求項２】
母材に６００Ｎ／ｍｍ２ 級の高張力鋼未満の強度を有する鋼材を用い、該鋼材を炭酸ガス又はアルゴンガスと炭酸ガスの混合ガス等の活性ガス雰囲気中、或いはアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で、炭素含有量が０．０１％以下、珪素含有量が０．０２％以下、マンガン含有量が０．２％以下、リン含有量が０．０１％以下、硫黄含有量が０．０１％以下の工業用純鉄を溶加材として用い、該工業用純鉄をアーク熱により溶融し凝固させることにより、母材より低強度で高延性の溶接金属を鋼構造物のレ形開先の溶接継手におけるルート側の初層又は複数層に形成することを特徴とする、請求項１に記載した鋼構造物の溶接工法。
【請求項３】
鋼構造物のレ形開先の溶接継手におけるルート側の初層又は複数層を、ＴＩＧ溶接法により母材より低強度で高延性の溶接材料で溶接し、その余の層は前記ＴＩＧ溶接法、或いはＭＡＧ溶接法又はＭＩＧ溶接法により、母材と同等又はそれ以上の強度を有する溶接材料で溶接すること、及び
前記母材に６００Ｎ／ｍｍ２ 級の高張力鋼未満の強度を有する鋼材を用い、該鋼材を炭酸ガス又はアルゴンガスと炭酸ガスの混合ガス等の活性ガス雰囲気中、或いはアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で、炭素含有量が０．０１％以下、珪素含有量が０．０２％以下、マンガン含有量が０．２％以下、リン含有量が０．０１％以下、硫黄含有量が０．０１％以下の工業用純鉄を溶加材として用い、該工業用純鉄をアーク熱により溶融し凝固させることにより、母材より低強度で高延性の溶接金属を鋼構造物のレ形開先の溶接継手におけるルート側の初層又は複数層に形成することを特徴とする、鋼構造物の溶接工法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、鋼構造物の溶接構造及びその溶接工法の技術分野に属し、更に言えば、鋼構造の柱梁接合部を溶接により接合する場合の溶接構造及びその溶接工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄骨造建築において、その柱梁接合部を溶接により接合する場合には、柱梁接合部の梁端フランジの溶接部及び溶接部近傍あるいはスカラップに起因する脆性的な破断が問題となっている。その対策として、次に挙げるような公知技術が提案されている。
▲１▼  梁端をリブで補強する方法。
▲２▼  柱梁接合部の脆性的な破断の原因の一つとされるスカラップを設けないで溶接を行う溶接工法。
【０００３】
その他にも、下記に挙げるような公知技術が提案されている。
▲３▼  特開平８−２８１４８６号公報には、鋼製柱梁接合部を溶接する方法において、溶接する柱及び梁の降伏応力及び引張強度未満の降伏応力及び引張強度を有する鋼製裏当金を使用し、また、溶接材料には溶接により生成される溶接金属の降伏応力及び引張強度が鋼製裏当金の降伏応力及び引張強度以上となるものを用いて溶接する鋼製柱梁接合部の溶接方法が開示されている。
▲４▼  特開平８−２８１４８７号公報には、鋼製柱梁接合部を溶接する方法において、溶接する柱及び梁の降伏応力及び引張強度以上の降伏応力及び引張強度を有する鋼製裏当金を使用し、また、溶接材料には溶接により生成される溶接金属の降伏応力及び引張強度が鋼製裏当金の降伏応力及び引張強度未満となるものを用いて溶接する鋼製柱梁接合部の溶接方法が開示されている。
▲５▼  昭和４７年１０月の日本造船学会秋季講演会において発表された「軟質溶接継手の静的引張強度に関する研究」の論文中に、母材より低強度の溶接金属を、Ｋ形開先の溶接継手の中央部を初層として、該初層の形成に適用した鋼構造物の構造及び溶接工法が開示されている。
【０００４】
【本発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術▲１▼は、溶接作業を終えた後にリブの取付け作業を行わなければならないから、手間がかかり、作業能率が低下してコスト的にも高くつく。
上記従来技術▲２▼のスカラップを設けない溶接工法は、その品質管理上、柱にブラケットを予め工場等で溶接して接合するブラケット工法を採用しなければならず、近年、コストダウン手法として定着している、梁を柱に直接接合するノンブラケット工法を採用できない。その結果としてコスト的に高くつく。
【０００５】
更に、上記の従来技術▲１▼、▲２▼及びその他多くの従来技術、並びに一般的な公知技術では、溶接継手の応力集中部（例えばレ形開先の溶接継手におけるルート側の初層のような応力集中部）に高降伏点の溶接材料を使用している（高降伏点の溶接金属が形成されている。）。この場合、一般に破断の起点となる部分に蓄えられ、破断時に開放される弾性歪エネルギーが、亀裂進展速度や破壊形態に大きく影響することが指摘されており、レ形開先の溶接継手におけるルート側の初層のような応力集中部での高降伏点の溶接材料の使用は問題が多い。つまり、溶接金属の降伏点を柱及び梁等の母材の降伏点より高くすると、亀裂進展時に開放されるエネルギーも大きくなり、脆性的な破壊になり易い。
【０００６】
上記従来技術▲３▼は、裏当金の降伏応力及び引張強度を柱及び梁等の母材及び溶接金属の降伏応力及び引張強度より小さくして、梁端フランジの溶接部及び溶接部近傍の応力集中を緩和する構成であり、上記従来技術▲４▼では、裏当金の降伏応力及び引張強度を柱及び梁等の母材及び溶接金属の降伏応力及び引張強度より大きくして、梁端フランジの溶接部及び溶接部近傍の応力集中を緩和する構成であり、それぞれ通常の鋼材を裏当金として用いないので、コスト的に高くつく。
【０００７】
ところで従来、母材よりも低強度で高延性の溶接材料（溶接金属）を用いた溶接法が、高張力鋼に対し、予熱温度低減や溶接割れ等の防止に有効であることは知られており、それらの効果と母材による３軸拘束効果による耐力向上に主眼が置かれている。しかし、溶接部の全層に母材よりも低強度の溶接金属を適用した溶接部の耐力は、母材の耐力よりも大きくはならず、柱及び梁等の母材破断を原則とする建築分野では適用が困難である。
【０００８】
上記の従来技術▲５▼は、Ｋ形開先の溶接継手の中央部に位置する初層のみを母材よりも低強度の溶接金属で形成し、その他の層は、通常の溶接金属により溶接し、予熱温度低減や溶接割れ等の防止の効果を持たせると共に、Ｋ形開先の３軸拘束効果により溶接部の耐力を十分なものとした構成である。しかし、現場作業を主とする建築分野において、Ｋ形開先はあまり用いられない。
【０００９】
次に、６００Ｎ／mm2 級の高張力鋼以上の強度を有する鋼材（６００ Ｎ／mm2から７８０Ｎ／mm2 までの鋼材）に対しては、その強度よりも低い溶接金属を形成する溶接材料は存在するものの、６００Ｎ／mm2 級の高張力鋼未満の強度を有する鋼材（４００Ｎ／mm2 から４９０Ｎ／mm2 までの鋼材）に対しては、その母材よりも低強度の溶接金属を形成する溶接材料は存在しない。溶接構造用鋼材の降伏耐力は一般的な板厚で２４５Ｎ／mm2 以上であり、それ以下の耐力を有する溶接金属は、溶加材として２４５Ｎ／mm2 以下の降伏耐力の純鉄材料を用いても、アーク溶接に伴う脱酸（Ｍｎ、Ｓｉの添加）を行うプロセスにおいて耐力上昇を避けられないからである。
【００１０】
従って、本発明の目的は、予熱管理なしでレ形開先の溶接継手におけるルート側の初層又は複数層での溶接割れ等を防止できる溶接を行え、該レ形開先の溶接継手におけるルート側の初層又は複数層などの応力集中部の応力集中を緩和でき、地震等の外力が作用する場合に生じる柱梁接合部の梁端フランジの溶接部及び溶接部近傍の脆性的な破断を防止できると共に、溶接作業を能率良く行え、コストが安い、鋼構造物の溶接構造及び鋼構造物の溶接工法を提供することにある。
【００１１】
本発明の更なる目的は、６００Ｎ／mm2 級の高張力鋼未満の強度を有する鋼材よりも低強度で高延性の溶接金属を形成することにより、母材に６００ Ｎ／mm2級の高張力鋼未満の強度を有する鋼材を使用しても実施できる、鋼構造物の溶接工法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係る鋼構造物の溶接工法は、
鋼構造物のレ形開先の溶接継手におけるルート側の初層を、ＭＡＧ溶接法又はＭＩＧ溶接法により、母材より低強度で高延性の溶接材料で溶接し、その余の層は前記ＭＡＧ溶接法又はＭＩＧ溶接法、或いはＴＩＧ溶接法により、母材と同等又はそれ以上の強度を有する溶接材料で溶接することを特徴とする。
【００１４】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した鋼構造物の溶接工法において、
母材に６００Ｎ／ｍｍ２ 級の高張力鋼未満の強度を有する鋼材を用い、該鋼材を炭酸ガス又はアルゴンガスと炭酸ガスの混合ガス等の活性ガス雰囲気中、或いはアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で、炭素含有量が０．０１％以下、珪素含有量が０．０２％以下、マンガン含有量が０．２％以下、リン含有量が０．０１％以下、硫黄含有量が０．０１％以下の工業用純鉄を溶加材として用い、該工業用純鉄をアーク熱により溶融し凝固させることにより、母材より低強度で高延性の溶接金属を鋼構造物のレ形開先の溶接継手におけるルート側の初層又は複数層に形成することを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載した発明に係る鋼構造物の溶接工法は、
鋼構造物のレ形開先の溶接継手におけるルート側の初層又は複数層を、ＴＩＧ溶接法により母材より低強度で高延性の溶接材料で溶接し、その余の層は前記ＴＩＧ溶接法、或いはＭＡＧ溶接法又はＭＩＧ溶接法により、母材と同等又はそれ以上の強度を有する溶接材料で溶接すること、及び
前記母材に６００Ｎ／ｍｍ２ 級の高張力鋼未満の強度を有する鋼材を用い、該鋼材を炭酸ガス又はアルゴンガスと炭酸ガスの混合ガス等の活性ガス雰囲気中、或いはアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で、炭素含有量が０．０１％以下、珪素含有量が０．０２％以下、マンガン含有量が０．２％以下、リン含有量が０．０１％以下、硫黄含有量が０．０１％以下の工業用純鉄を溶加材として用い、該工業用純鉄をアーク熱により溶融し凝固させることにより、母材より低強度で高延性の溶接金属を鋼構造物のレ形開先の溶接継手におけるルート側の初層又は複数層に形成することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施形態及び実施例】
鋼構造物の溶接構造は、図１〜図６に示したように、鉄骨柱２に鉄骨梁３を溶接により接合する場合に、鉄骨梁３のフランジ部３ａの一端部に形成されたレ形開先１の溶接継手におけるルート側の初層又は複数層１ａが、鉄骨柱２及び鉄骨梁３等の母材よりも低強度で高延性の溶接金属が形成され、その余の層１ｂが全て鉄骨柱２及び鉄骨梁３等の母材と同等又はそれ以上の強度を有する溶接金属で形成されている。図中の符号４は裏当金、符号５はスカラップである。
【００１７】
図１〜図３に示した実施例は、鉄骨柱２の側面に鉄骨梁３のフランジ部３ａの一端部を本発明の溶接工法で直接溶接して接合するノンブラケット工法のタイプを示している。図２の実施例では、通常の裏当金４を使用している。図３の実施例では、レ形開先１の溶接継手におけるルート側の初層又は複数層１ａを形成するために予め切欠部４ａを設けた裏当金４を使用している。
【００１８】
図４〜図６に示した実施例は、予め工場等において鉄骨柱２へブラケット３’のフランジ部３’ａを溶接しておいて、現場で前記ブラケット３’を利用して鉄骨柱２と鉄骨梁３とを本発明の溶接工法で接合するブラケット工法のタイプを示している。図５の実施例では、通常の裏当金４を使用している。図６の実施例では、レ形開先１の溶接継手におけるルート側の初層又は複数層１ａを形成するために予め切欠部４ａを設けた裏当金４を使用している。
【００１９】
上記の溶接構造を実現する溶接工法は、大きく、以下の２種の溶接工法に分けて実施される。
第１の溶接工法は、請求項１記載の発明に係るもので、鋼構造物のレ形開先１の溶接継手におけるルート側の初層１ａのみを、ＭＡＧ溶接法又はＭＩＧ溶接法により、鉄骨柱２及び鉄骨梁３等の母材より低強度で高延性の溶接材料で溶接し、その余の層１ｂは全て、前記同様のＭＡＧ溶接法又はＭＩＧ溶接法、或いはＴＩＧ溶接法のいずれかにより、鉄骨柱２及び鉄骨梁３等の母材と同等又はそれ以上の強度を有する溶接材料で溶接するのである。
【００２０】
第２の溶接工法は、請求項３記載の発明に係るもので、鋼構造物のレ形開先１の溶接継手におけるルート側の初層又は複数層１ａを、ＴＩＧ溶接法により鉄骨柱２及び鉄骨梁３等の母材より低強度で高延性の溶接材料で溶接し、その余の層１ｂはすべて、前記同様のＴＩＧ溶接法、或いはＭＡＧ溶接法又はＭＩＧ溶接法のいずれかにより鉄骨柱２及び鉄骨梁３等の母材と同等又はそれ以上の強度を有する溶接材料で溶接するのである。
【００２１】
上記２種の溶接工法を比較すると、第２の溶接工法よりも第１の溶接工法の方が施工能率は良い。しかし、母材より低強度で高延性の溶接材料をレ形開先１の溶接継手における初層のみに溶接する第１の溶接工法よりも、同材料を初層のみならず複数層まで溶接する第２の溶接工法の方が、設計どおり精巧に溶接することに関しては優れている。しかし、その他に関しては前記両者の奏する効果に差異はない。
【００２２】
上記２種の溶接工法で鉄骨柱２及び鉄骨梁３等の母材に６００Ｎ／mm2 級の高張力鋼以上の強度を有する鋼材を用いる場合、例えば、母材に６００Ｎ／mm2 級の鋼材を用い、前記溶接材料として、降伏耐力が２４５Ｎ／mm2 の工業用純鉄を用いて、レ形開先１の溶接継手におけるルート側の初層又は複数層１ａの溶接金属を厚さにして梁３のフランジ部の厚さの１／３まで形成する。
【００２３】
上記２種の溶接工法で鉄骨柱２及び鉄骨梁３等の母材に６００Ｎ／mm2 級の高張力鋼未満の強度を有する鋼材を用いる場合、該鋼材を炭酸ガス又はアルゴンガスと炭酸ガスの混合ガス等の活性ガス雰囲気中、或いはアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で、炭素含有量が０．０１％以下、珪素含有量が０．０２％以下、マンガン含有量が０．２％以下、リン含有量が０．０１％以下、硫黄含有量が０．０１％以下の工業用純鉄を溶加材として用い、該工業用純鉄をアーク熱により溶融させ凝固させることにより、柱２及び梁３等の母材よりも低強度で高延性の溶接金属を、鋼構造物のレ形開先１の溶接継手におけるルート側の初層又は複数層１ａに形成することができる。前記溶接金属は、降伏耐力が２４５Ｎ／mm2 以下で、引張強さが４００Ｎ／mm2 以下である。
【００２４】
以下に、本発明に係る溶接工法を実施した鋼構造物の溶接構造の実験結果を示す。
実験データ１：母材劣化防止効果及び溶接部の変形能力向上について
脆性破壊の一つの指標であるＣＴＯＤ試験（−５０〜−３０゜Ｃで実施）では、上記した低強度で高延性の溶接材料を用いた試験体（溶接構造）の亀裂開口変位は、通常の溶接工法の試験体に比べて、熱影響部で１．５倍、溶接部で約３倍となり、母材劣化効果及び溶接部の変形能力向上の効果を確認できた。
【００２５】
実験データ２：母材劣化防止効果について
脆性破壊の一つの指標である硬さ試験において、上記した低強度で高延性の溶接材料を用いた試験体の硬さは、通常の溶接工法の試験体のそれに比べて１０〜２０％低下し、母材劣化を防止していることを確認できた。
実験データ３：母材破断保証について
母材破断を確認するためにルート側の初層又は複数層に母材よりも低強度で高延性の溶接金属を有するレ形開先の溶接継手（本発明の溶接継手）の引張実験を行った。母材には４９０Ｎ／mm2 級の鋼材を用いた。この場合、板厚（鉄骨梁３のフランジ厚）ｔのｔ／６だけ低強度で高延性の溶接材料を適用した試験体では、母材破断が確認された。また、板厚（鉄骨梁３のフランジ厚）ｔのｔ／３だけ低強度で高延性の溶接材料を適用した試験体では、引張強さは母材の引張強さのＪＩＳ規格値を超えているが、溶接部破断となり、母材破断と溶接部破断の分岐点であることを確認できた。以上より、母材に４９０Ｎ／mm2 級の鋼材を用いた場合、板厚（鉄骨梁３のフランジ厚）ｔのｔ／３未満の範囲まで本発明に係る溶接工法（レ形開先１の溶接継手におけるルート側の初層又は複数層１ａを母材より低強度で高延性の溶接金属で形成）を実施すれば、母材破断することが確認された。ｔ／３未満であれば本発明の効果を発揮し、母材が破断する。通常、１層の厚さは５mm程度の溶接で構成されることが多いため、板厚（鉄骨梁３のフランジ厚）が２０mm以上あれば、本発明の溶接工法を適用できる。
【００２６】
裏当金４の形態が対応する図３又は図６の実施例では、レ形開先１の溶接継手のルート側の初層又は複数層１ａを、図示したように鉄骨梁３と裏当金４との境界までしか溶接していないが、この限りではない。母材の強度、板厚（鉄骨梁３のフランジ厚）や裏当金４の切欠部の大きさなどに応じて、それぞれに適した範囲で実施される。
【００２７】
【本発明の奏する効果】
本発明に係る鋼構造物の溶接構造及び鋼構造物の溶接工法によれば、予熱管理なしでレ形開先の溶接継手におけるルート側の初層又は複数層での溶接割れ等を防止する溶接が行え、該レ形開先の溶接継手におけるルート側の初層又は複数層などの応力集中部における応力集中を緩和して、地震等の外力が作用する場合に生じる柱梁接合部の梁端フランジの溶接部及び溶接部近傍の脆性的な破断を防止できる。また、溶接作業を能率良く行え、安いコストで実施できる。
【００２８】
更に、本発明に係る鋼構造物の溶接工法の内、母材に６００Ｎ／mm2 級の高張力鋼未満の強度を有する鋼材を用いる場合の溶接工法によれば、従来存在しなかった６００Ｎ／mm2 級の高張力鋼未満の強度を有する鋼材よりも低強度の溶接金属を形成できるので、柱や梁等の母材に６００Ｎ／mm2 級の高張力鋼未満の強度を有する鋼材を用いても本発明に係る鋼構造物の溶接構造を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ノンブラケット工法タイプに本発明を実施した鋼構造物の溶接構造を示した正面図である。
【図２】図１のＸ部の拡大図である。
【図３】図１のＸ部の異なる実施例の拡大図である。
【図４】ブラケット工法タイプに本発明を実施した鋼構造物の溶接構造を示した正面図である。
【図５】図４のＸ’部の拡大図である。
【図６】図４のＸ’部の異なる実施例の拡大図である。
【符号の説明】
１        レ形開先
１ａ      ルート側の初層又は複数層
１ｂ      余の層
【図１】
0003820493.tif 000002
【図２】
0003820493.tif 000003
【図３】
0003820493.tif 000004
【図４】
0003820493.tif 000005
【図５】
0003820493.tif 000006
【図６】
0003820493.tif 000007