JP2023146446A - 接合金物、角形鋼管、および、突合せ溶接接合構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】角形鋼管の突合せ溶接において角形鋼管の偏心を抑えるとともに、力の伝達を適切に行う。【解決手段】断面における辺の長さは互いに略同一であるが角部の半径が互いに異なる２つの角形鋼管の軸線方向端部同士が接合された突合せ溶接接合部に配置される接合金物であって、２つの角形鋼管の軸線方向端部での角部における半径差及び板厚差により定まる段差が設けられた角部接合金物と、２つの角形鋼管の軸線方向端部での平坦部における板厚差により定まる段差が設けられた平坦部接合金物と、を備える。【選択図】図６

Description

本開示は、２つの角形鋼管で、断面における辺の長さは互いに略同一であるが、角部の半径が互いに異なる角形鋼管を突合せ接合する技術に関する。

角形鋼管の角部における半径は成形方法（プレス成形、ロール成形）および板厚に依存する。特許文献１には断面の辺長が略同一で板厚の寸法および角部の曲率寸法が異なる角形鋼管どうしを突合せ溶接してなる継手構造であって、板厚の薄い方の角形鋼管の端部の内側面に取り付けられ、板厚の厚い方の角形鋼管の端部に向けて突出した第一裏当て金と、板厚の厚い方の角形鋼管の端部の角部の内側面に取り付けられた第二裏当て金とを有し、第一裏当て金と第二裏当て金とが当接状態にあり、角形鋼管同士を突合せ溶接してなることを特徴とする突合せ溶接継手構造が開示されている。

特開２０１７－８９１２５号公報

従来のような裏当て金を具備する突合せ溶接接合構造では、突き合せた角形鋼管に大きな偏心を生じやすく、また、溶接部を通しての角形鋼管の力の伝達を適切に行うことができなかった。

そこで本開示は、角形鋼管の突合せ溶接において角形鋼管の偏心を抑えるとともに、力の伝達を適切に行うことを目的とする。

本願は、断面における辺の長さは互いに略同一であるが角部の半径が互いに異なる２つの角形鋼管の軸線方向端部同士が接合された突合せ溶接接合部に配置される接合金物であって、２つの角形鋼管の軸線方向端部での角部における半径差及び板厚差により定まる段差が設けられた角部接合金物と、２つの角形鋼管の軸線方向端部での平坦部における板厚差により定まる段差が設けられた平坦部接合金物と、を備える、接合金物を開示する。

また、本願は、断面における辺の長さは互いに略同一であるが角部の半径が互いに異なる２つの角形鋼管が突合せ溶接されてなる構造体に用いられる角形鋼管であって、２つの角形鋼管のうち角部の半径が小さい側であり、角形鋼管の軸線方向端部の断面中心側に上記接合金物の一方の端部が溶接により接合されている、角形鋼管を開示する。

本願は、断面における辺の長さは互いに略同一であるが角部の半径が異なる２つの角形鋼管が突合せ溶接されてなる構造体であって、２つの角形鋼管の軸線方向端部同士を渡すように配置された上記の接合金物が２つの角形鋼管のそれぞれに溶接接合されている、突合せ溶接接合構造体を開示する。

本開示によれば、角部の半径が互いに異なる２つの角形鋼管の突合せ溶接において、角形鋼管の偏心を抑えるとともに、力の伝達を適切に行うことができる。

図１は突合せ溶接接合構造体１０の外観斜視図である。 図２は突合せ溶接接合構造体１０の平面図である。 図３は突合せ溶接接合構造体１０の１つの断面図である。 図４は突合せ溶接接合構造体１０の１つの断面図である。 図５は平坦部における溶接部１３の断面図である。 図６は角部における溶接部１３の断面図である。 図７は角部における溶接部２３の断面図である。 図８は突合せ溶接接合構造体の作製の過程を説明する図である。 図９は角部における溶接部２３の変形例の断面図である。 図１０は突合せ溶接接合構造体の他の形態における角部の接合部２３の断面図である。 図１１は通しダイアフラムを用いた構造体を説明する図である。 図１２は突合せ溶接接合構造体１０を用いた構造体の構造を説明する図である。

１．突合せ溶接接合構造体
図１～図６に１つの形態に係る突合せ溶接接合構造体１０を説明する図を示した。図１が外観斜視図、図２は平面図であり図１の矢印Ａの方向から突合せ溶接接合構造体１０を見た図である。なお、図２ではわかりやすさのため鋼管１１を点線で示している。
図３は図２のＢ－Ｂ断面であり角形鋼管１１、１２の対向する平坦部間の断面、図４は図２のＣ－Ｃ断面であり角形鋼管１１、１２の対角にある２つの角部間の断面である。図５は図３にＤで示した部分を拡大した図であり平坦部における溶接部１３の構造を説明する図、図６は図４にＥで示した部分を拡大した図であり角部における溶接部１３の構造を説明する図である。

図１～図６よりわかるように、突合せ溶接接合構造体１０は、断面における辺の長さが略同一の２つの角形鋼管である鋼管１１と鋼管１２とが軸線方向に並べられており、その端面同士が対向するように配置されて溶接部１３により接合されてなる構造体である。以下に各構成要素について説明する。

１．１．鋼管
上述したように突合せ溶接接合構造体１０には軸線方向に並べて接合された断面における辺の長さが略同一の２つの角形鋼管である鋼管１１及び鋼管１２を備えている。鋼管１１及び鋼管１２自体は公知の角形鋼管であり特に限定されることはなく、その材質や寸法は規格等に沿ったものであってよい。

ただし、本形態では、鋼管１１と鋼管１２とでは断面における辺の長さが略同一であるが、板厚及び角部の半径が異なる。具体的には、下側の鋼管１１は上側の鋼管１２より厚く形成されている。また、厚く形成された鋼管１１の角部の半径は、薄く形成された上側の鋼管１２の角部の半径よりも大きい。

また、図５からわかるように、鋼管１１と鋼管１２とでは平坦部においてその外面（紙面左側の面）が軸線Ｏの方向に沿って一致する位置となるように配置される。これにより鋼管１１と鋼管１２とはその板厚の差に起因して内面（中心側の面、紙面右側の面）において軸線Ｏの方向に一致せず、径方向の位置にずれを有している。
一方、図６からわかるように、鋼管１１と鋼管１２とでは角部において鋼管１１と鋼管１２との板厚差及び半径の差に起因して外面と内面との両方で軸線Ｏの方向において一致せず径方向の位置でずれを有している。図６にｄ０で示した寸法は外面におけるずれの大きさである。

鋼管１１、鋼管１２の端面形状は特に限定されることはないが、図５、図６の鋼管１２側の端面に表れているように、内面側から外面側に向けて傾斜するように構成してもよい。本形態のように鋼管１２の端面を外面側が鋭角になるように傾斜させることにより、後述する第一溶接金属部１６ａと平坦部接合金物１４、角部接合金物１５との接合面を大きくとることができるため接合に有利である。本形態は鋼管１２の端面のみに傾斜を設けたが、鋼管１１にのみ、又は、いずれの鋼管にも傾斜設けてもよいし、いずれの端面にもこのような傾斜を設けなくてもよい。

１．２．溶接部
１．２．１．第一の形態
上述したように２つの鋼管１１、１２はその端面同士が対向するように配置され、その間に具備される溶接部１３により接合されたいわゆる突合せ溶接接合による構造体である。ここで、本形態の溶接部１３は接合金物を構成する平坦部接合金物１４、接合金物を構成する角部接合金物１５、および溶接金属部１６を具備している。

［接合金物］
接合金物である平坦部接合金物１４および角部接合金物１５は、鋼管１１および鋼管１２の内面に接触して両鋼管を渡すように配置され、両鋼管が対向する部位の内周に沿った方向に延びる部材である。図２からわかるように平坦部接合金物１４は鋼管１１、鋼管１２の平坦部に配置された接合金物であるため直線状に延びている。一方、角部接合金物１５は鋼管１１、鋼管１２の角部に配置された接合金物であるため鋼管の角部に沿って湾曲するように延びている。

本形態では平坦部接合金物１４および角部接合金物１５はいずれも鋼管１１及び鋼管１２の内面に対向する側に段差面１４ｃ、１５ｃを具備している。より具体的には平坦部接合金物１４および角部接合金物１５は、鋼管１２の内面に対向する面１４ａ、１５ａ、鋼管１１の内面に対向する面１４ｂ、１５ｂを有しており、この面１４ａ、１５ａと面１４ｂ、１５ｂとは鋼管１１、鋼管１２の径方向に位置が異なるようにずれを有しているため面１４ａ、１５ａと面１４ｂ、１５ｂとを結ぶように段差面１４ｃ、１５ｃを具備している。段差面１４ｃ、１５ｃは本形態のように鋼管１１、１２の軸線Ｏが延びる方向に対して傾斜した傾斜面であってもよいし、径方向（軸線Ｏが延びる方向に対して直交する方向）に延びる面であってもよい。段差面１４ｃ、１５ｃが傾斜する場合における傾斜角は特に限定されることはないが、２０°以上７０°以下であることが好ましい。

段差面１４ｃ、１５ｃにおける段差の程度は、鋼管１１と鋼管１２との内面における径方向位置のずれの大きさによるが、平坦部に配置される平坦部接合金物１４の段差面１４ｃは鋼管１１と鋼管１２との板厚差に起因する段差、角部に配置される角部接合金物１５の段差面１５ｃは鋼管１１と鋼管１２との板厚差および角部の半径の差に起因する段差となる。
なお、鋼管１１の内面の方が鋼管１２の内面よりも軸線Ｏに近いため、鋼管１１に接する面１４ｂ、１５ｂの方が鋼管１２に接する面１４ａ、１５ａよりも軸線Ｏに近く（中央側）なる。

平坦部接合金物１４、角部接合金物１５の厚さは特に限定されることはなく、必要な強度が具備されればよい。目安として鋼管１１又は鋼管１２と同程度の厚さである。厚さは一様であってもよく（後述する角部接合金物１５）、図５、図６に表れているように、段差面１４ｃ、１５ｃが具備される側とは反対側の面が平坦であってもよい。平坦である場合には面１４ａ、１５ａ側が厚く、面１４ｂ、１５ｂ側が薄くなる。
また、平坦部接合金物１４、角部接合金物１５が延びる方向の大きさ（鋼管１１、１２の内周に沿った方向の大きさ）は特に限定されることはないが、平坦部接合金物１４および角部接合金物１５で鋼管１１、鋼管１２の接合部における内周の大部分を覆うように配置されることが好ましい。このとき、平坦部接合金物１４と角部接合金物１５とは接触していても接触していなくてもよい。

平坦部接合金物１４、角部接合金物１５の材質は、必要な強度および溶接性が確保することができれば特に限定されることはないが、例えば鋼管１１又は鋼管１２のいずれか低い強度の方と同等の強度を有する材料を用いることができる。

［溶接金属部］
溶接金属部１６は、溶接による接合のための溶接金属が配置された部位である。溶接金属の材料は必要な強度および溶接性が確保することができれば特に限定されることはないが、例えば鋼管１１又は鋼管１２のいずれか低い強度の方と同等の強度を有する材料を用いることができる。本形態で溶接金属部１６は、図５、図６に表れているように、第一溶接金属部１６ａ及び第二溶接金属部１６ｂを備えている。

第一溶接金属部１６ａは、角部における半径が小さく、板厚が薄い鋼管１２と平坦部接合金物１４、角部接合金物１５とを接合する溶接金属部である。本形態では、第一溶接金属部１６ａは鋼管１２の端面と接合金物１４、１５の面１４ａ、１５ａを接合するように配置される。
一方、第二溶接金属部１６ｂは角部における半径が大きく、板厚が厚い鋼管１１と平坦部接合金物１４、角部接合金物１５とを接合するとともに、鋼管１１の端面と鋼管１２の端面とを第一溶接金属部１６ａを介して、又は、直接に、接合するように配置された溶接金属部である。本形態では第一溶接金属部１６ａを介して第二溶接金属部１６ｂにより鋼管１１と鋼管１２とが接合されている。

１．２．２．第二の形態
図７には第二の形態を説明する図で図６と同じ視点による図を示した。第二の形態では上述の溶接部１３の代わりに溶接部２３が適用されており、鋼管１１、１２については同様に考えることができる。また、ここでは溶接部２３のうち角部について説明するが、平坦部についても同様に考えることができる。
本形態の溶接部２３は角部接合金物２５、および溶接金属部２６を具備している。

［接合金物］
角部接合金物２５は、鋼管１１および鋼管１２の内面に接触して両鋼管を渡すように配置され、鋼管１１と鋼管１２とが対向する部位の内周に沿った方向に延びる部材である。上述したように角部接合金物２５は鋼管１１、鋼管１２の角部に配置された接合金物であるため鋼管の角部に沿って湾曲するように延びている（図２の角部接合金物１５と同様。）。

本形態では角部接合金物２５は面２５ａ、面２５ｂ、段差面２５ｃを有しているが、面２５ａは面１５ａ、面２５ｂは面１５ｂ、および、段差面２５ｃは段差面１５ｃにそれぞれ相当し、同様に考えることができる。

本形態の角部接合金物２５は板厚が一定であるため、角部接合金物２５のうち、鋼管１１および鋼管１２の内面に対向する面である面２５ａ、面２５ｂ、段差面２５ｃとは反対側（中心側）となる面も、面２５ａ、面２５ｂ、および、段差面２５ｃと同様の形状を具備している。このような接合金物によればプレス成形により製造がし易い形状である。

［溶接金属部］
溶接金属部２６は、溶接による接合のための溶接金属が配置された部位である。溶接金属の材料は公知の通りでよい。本形態で溶接金属部２６は、第一溶接金属部２６ａ及び第二溶接金属部２６ｂを備えている。

第一溶接金属部２６ａは、角部の半径が小さく、板厚が薄い鋼管１２と接合金物２５とを接合する溶接金属部である。本形態では、第一溶接金属部２６ａは鋼管１２の内面と角部接合金物２５の端面（鋼管１２側の端面）と、を接合するように配置される。
一方、第二溶接金属部２６ｂは、角部における半径が大きく、板厚が厚い鋼管１１と角部接合金物２５と、を接合するとともに、鋼管１１の端面と鋼管１２の端面とを第一溶接金属部２６ａを介して、又は、直接に、接合するように配置された溶接金属部である。本形態では第二溶接金属部１６ｂにより鋼管１１と鋼管１２とが直接接合されている。

［接合手順等］
図８に鋼管１１と鋼管１２とを接合する際の手順等について説明する図を示した。
本形態（および先に説明した第一の形態も同様に考えることができる。）では、図８に示したように、初めに角部の半径が小さい鋼管１２の端部に第一溶接金属部２６ａにより角部接合金物２５を接合した角形鋼管を作製する。このような角形鋼管は工場等で予め作製することができる（平坦部接合金物も同様に予め接合することができる。）。
このようにして予め準備した角形鋼管を設置現場に搬送し、当該設置現場で鋼管１１を鋼管１２に突き合わせて第二溶接金属部２６ｂを形成することで両者を接合し、突合せ溶接接合構造体１０とすることができる。このとき、鋼管１２には予め角部接合金物２５が付いているので、鋼管１１を配置する際には角部接合金物２５（および平坦部接合金物）をガイドとして利用することができる。また、径方向の位置決め精度が高いため偏心を抑制することが可能となる。

［変形例］
図９には角部接合金物２５を用いた溶接金属部２３の変形例を説明する図を示した。図９は図７と同じ視点による図である。
この例では角部接合金物２５の段差面２５ｃが鋼管１１と鋼管１２との間ではなく、径方向で鋼管１２に重なる位置に配置され、さらなる他の第一溶接金属部２６ａが鋼管１２の内面と段差面２５ｃとの間に形成されている。そして第二溶接金属部２６ｂが鋼管１１の端面、鋼管１２の端面、および、他の第一溶接金属部２６ａに接合するように配置される。
このような溶接金属部２６によっても上述と同様の効果を奏し、同様の接合手順による突合せ溶接接合構造体の形成を行うことができる。また、平坦部接合金物でも同様の形態とすることができる。

２．他の例にかかる突合せ溶接接合構造体
図１０に他の例にかかる突合せ溶接接合体を説明する図を示した。図１０は図７と同様の視点による図である。本例では、突き合せられる２つの鋼管である鋼管１１と鋼管１２’とが同じ板厚を有するが、角部における半径が異なる例である。板厚が同じである一方で角部の半径が異なる場合として鋼管の製造方法の違いによる場合が挙げられる。例えば、１つの製造方法として円形の鋼管を４方向からサイジングして角形鋼管に成形する方法（ＢＣＲ（登録商標））が挙げられ、他の製造方法として厚板をプレスにより曲げ加工してシーム部をアーク溶接して成形する方法（ＢＣＰ（登録商標））が挙げられる。
また、本例では接合部２３は図７で説明した溶接部と同じ構成としている。
この場合、突合せ接合される２つの鋼管１１、１２’は板厚が同じなので平坦部では平坦な板状の接合金物を用いればよい。

２つの鋼管１１、１２’の板厚が同じで角部の半径が異なる組み合わせの突合せ溶接接合構造体に対しては角部において上述した接合金物を用いればよい。

この場合で、一方にＢＣＲ（登録商標）による鋼管、他方にＢＣＰ（登録商標）による鋼管を用いた場合、角部の半径は、ＢＣＲ（登録商標）で２．５±０．５ｔ、ＢＣＰ（登録商標）で３．５±０．５ｔ（ｔは板厚）であることを考慮すると、図１０に示したｄ０は次のように算出することができる。
ｄ０＝２．５ｔ＋２^０．５（３．５－２．５）ｔ－３．５ｔ
≒０．４１ｔ
すなわち、下側の鋼管１１が突合せ状態にある場合、上側の鋼管１２’は最大で断面の４１％を隅肉で伝達させる必要があるが、板厚程度の脚長の隅肉で十分伝達できることがわかる。

３．効果等
本開示の接合金物、角形鋼管、および、突合せ溶接接合構造体によれば、断面における辺の長さが互いに略同一であるが、角部の半径が互いに異なる２つの角形鋼管が突合せ溶接において、角形鋼管の偏心を抑えるとともに、力の伝達を適切に行うことができる。

また、本開示の接合金物、角形鋼管、および、突合せ溶接接合構造体によれば、次のような構造体に応用することも可能である。図１１および図１２に説明のための図を示した。

板厚や角部の半径が異なる２つの角形鋼管を軸線方向に配置する場合、従来は図１１のように短い鋼管であるサイコロ５０の軸線方向両端に配置された平板である通しダイアフラム５１、５１を介して２つの角形鋼管５２、５３を接合していた。そして、この通しダイアフラム５１の端面に梁（Ｈ型鋼）５４が接合される。

これに対して本開示の突合せ溶接接合構造体を用いることができる。具体的には図１２に示したように、突合せ溶接接合構造体１０の鋼管１１および鋼管１２の内側に平板である内ダイアフラム１を溶接により接合し、内ダイアフラム１が配置された部位に対応する突合せ溶接接合構造体１０の外面に梁（Ｈ型鋼）２を接合すればよい。
このように突合せ溶接接合構造体１０によれば、サイコロ及び通しダイアフラムを用いることなく、内ダイアフラム形式で構造体を作製することができる。すなわち、内ダイアフラムの溶接に必要な柱継手において上下の鋼管柱を変更することにより、追加の加工不要で工数の低減を実現可能である。本開示を用いれば通しダイアフラムを接合するために鋼管に開先加工をすることも不要にできる。

１０ 突合せ溶接接合構造体
１１ 角形鋼管
１２ 角形鋼管
１３ 溶接部
１４ 平坦部接合金物（接合金物）
１５、２５ 角部接合金物（接合金物）
１６ 溶接金属部

Claims (3)

1. 断面における辺の長さは互いに略同一であるが角部の半径が互いに異なる２つの角形鋼管の軸線方向端部同士が接合された突合せ溶接接合部に配置される接合金物であって、
   ２つの前記角形鋼管の前記軸線方向端部での前記角部における半径差及び板厚差により定まる段差が設けられた角部接合金物と、
   ２つの前記角形鋼管の前記軸線方向端部での前記平坦部における板厚差により定まる段差が設けられた平坦部接合金物と、を備える、
   接合金物。
2. 断面における辺の長さは互いに略同一であるが角部の半径が互いに異なる２つの角形鋼管の軸線方向端部同士が突合せ溶接されてなる構造体に用いられる角形鋼管であって、
   前記２つの角形鋼管のうち前記角部の半径が小さい側であり、
   前記角形鋼管の軸線方向端部の断面中心側に請求項１に記載の接合金物の一方の端部が溶接により接合されている、
   角形鋼管。
3. 断面における辺の長さは互いに略同一であるが角部の半径が互いに異なる２つの角形鋼管の軸線方向端部同士を突合せ溶接されてなる構造体であって、
   前記２つの角形鋼管の軸線方向端部同士を渡すように配置された請求項１に記載の接合金物が前記２つの角形鋼管のそれぞれに溶接接合されている、突合せ溶接接合構造体。

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