JP5953744B2 - 溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部 - Google Patents

Description

本発明は、建築構造物のボックス柱に好適な溶接組立四面箱形断面部材の角溶接用開先部に関する。

図１３は建築分野においてボックス柱として用いられることが多い溶接組立四面箱形断面部材の断面形状を示し、フランジプレート１とウェブプレート２を箱形断面に組合わせ、「レ形」開先（図１２（ａ））、「Ｉ形」開先（図１２（ｂ））、「Ｖ形」開先（図１２（ｃ））、もしくはそれらを組合わせた形状の「Ｉ＋Ｖ形」開先（図１２（ｄ））（例えば、特許文献１）を設けた角部ａを溶接接合して組立てられる。いずれの開先形状においても、フランジプレート１とウェブプレート２との間隙は底面に裏当て金４が取り付けられる。
「レ形」開先や、「Ｉ形」開先の場合、開先加工はウェブプレート２にのみ施されている。「Ｖ形」や「Ｉ＋Ｖ形」開先（図１２（ｄ））においてもフランジプレート１はその角が一直線で切断される極簡易な開先加工が施される程度で、溶接組立四面箱形断面部材の角部において、裏当金４はフランジプレート１に対して直角に取り付けられていることが多い。

特開２００７−３１３５２４号公報

ところで、鋼材に溶接を施すと、その溶接熱により接合される鋼材には熱影響部が形成され、この熱影響部では強度、靭性が劣化する。図９、１０にＣＯ_２ガス溶接とサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）で５９０Ｎ／ｍｍ^２級鋼材（板厚４０ｍｍ）と５９０Ｎ／ｍｍ^２級の溶接材料を用いて製作した溶接継手を対象として実施した熱影響部とＤＥＰＯのシャルピー衝撃試験結果（試験温度０℃）を示す。表１に使用した材料の機械的性質を示す。

ＣＯ_２ガス溶接とサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）は、それぞれ入熱は３０、０００Ｊ／ｃｍ、６０、０００Ｊ／ｃｍ程度となるよう管理し、パス間温度はともに１５０℃以下とした。

図１１にシャルピー衝撃試験片の採取位置およびノッチ位置を示す。ノッチはサイドノッチとし、その中心が板厚の１／４の位置となるように採取した。

また、溶接初層隅部においては、一般に溶接金属の溶け込み不足などの欠陥が生じ易く、脆性破断の起点となりやすい。

図２（ａ）は溶接組立四面箱形断面部材におけるフランジプレート１とウェブプレート２の角部溶接部を説明する図で、溶接金属５の周囲には強度・靭性の劣化した熱影響部６が発生し、初層溶接部８が裏当て金８とフランジプレート１との僅かな隙間７の延長線上に位置する。図２（ｂ）は角部溶接部が脆性破断する場合を模式的に示す図で、接合される梁などの部材から応力を受けて変形した場合、裏当金４とフランジプレート１の間の微小な隙間７の先端には局所的に応力が集中し、き裂が生じて、溶接熱影響部６において脆性破断が発生しやすい。

図１２（ａ）〜（ｄ）に示した開先の場合、隙間７の直近に溶接初層隅部８が位置し、さらに溶接金属５がフランジプレート１に沿って充填されるため、隙間７のほぼ延長線上に連続的に強度・靭性が劣化し、容易にき裂が発生・進展する熱影響部６が位置するため、角溶接部が破断する可能性が高い。

図７（ａ）〜（ｃ）はこの現象を実証するために実施したＦＥＭ解析の説明図で、地震時の溶接組立四面箱形断面柱１１の変形状態をモデル化したものである。図７（ａ）はＦＥＭ解析モデル、図７（ｂ）は柱梁接合部９における変形状態を示す模式図、（ｃ）は（ａ）（ｂ）のａ部拡大図である。溶接組立四面箱形断面柱１１は５９０Ｎ／ｍｍ^２級鋼材を、梁材１０は４９０Ｎ／ｍｍ^２級鋼材を、溶接組立四面箱形断面柱１１の角溶接には５９０Ｎ／ｍｍ^２級の溶接材料を想定したものである。表２に使用した材料の機械的性質を示す。

解析では図７に示すとおり梁１０の両端に荷重を作用させ、梁１０の部材変形角が１／１００ｒａｄに達したときの塑性歪の発生状態を検証した。

図８はその解析結果であり、塑性歪コンター図を表し、色が濃いほど塑性歪が集中している、すなわちき裂が発生しやすいことを示している。図８より、裏当金４とフランジプレート１の間に生じた微小な隙間付近で歪が集中し、容易にき裂が発生し得ることが確認できる。

したがって、靭性や強度が劣化した熱影響部がこの間隙の直上に直線的に位置する場合は、生じたき裂が容易に進展し、溶接部全断面が破断することが想定される。

そこで、本発明は、上記問題点を解決する溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部を提供することを目的とする。

本発明の課題は、以下の手段で達成可能である。
１．溶接四面箱形断面部材の角部において隣り合うフランジプレートとウェブプレートを溶接するための溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部であって、前記開先部は前記溶接四面箱形断面部材の長手方向に直角な断面において、前記フランジプレートと、前記フランジプレートと間隙を設けて配置される前記ウェブプレートと、前記間隙の底部に配置される裏当て金を有し、前記フランジプレートは、少なくとも前記ウェブプレートに対向する部分に切欠き部を有し、前記切欠き部は当該切欠き部を溶接する際の前記フランジプレート側の初層溶接が前記裏当て金を溶融させない形状であることを特徴とする溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部。
２．前記切欠き部はフランジプレートを少なくとも２辺の直線で切欠き、前記辺のうち、前記裏当て金に繋がる辺の長さが他の辺より短い短辺で５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする１に記載の溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部。
３．前記切欠き部はフランジプレートを少なくとも２辺の直線で切欠き、前記辺のうち、前記裏当て金に繋がる辺の長さが他の辺より短い辺を短辺とし、前記短辺とその他の辺の為す角度が、９０°以上、１２０°以下であることを特徴とする１または２に記載の溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部。
４．前記辺が２辺で、長辺が前記ウェブプレートの板厚と同じ長さで、短辺が当該切欠き部を溶接する際の初層溶接が前記裏当て金を溶融させない長さを有する略矩形であることを特徴とする２又は３記載の溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部。
５．１乃至４のいずれか一つに記載の溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部を溶接した溶接四面箱形断面部材。

本発明では、フランジプレートのウェジプレート側に段差のついた開先を設けることで、応力集中部位である裏当金とフランジプレートの間の微小な隙間と、溶接欠陥が生じ易い溶接初層隅部が近接しないため、隙間の先端からき裂が生じにくくなる。

隙間の先端よりき裂が発生したとしても、強度・靭性が劣化した熱影響部が間隔の延長線上には位置しなくなるため、き裂発生後の進展経路が複雑化し、き裂が進展し難くなり、角溶接部に早期破断が生じる危険性を低減することができ、産業上極めて有用である。

本発明の一実施形態に係る溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部を説明する図で（ａ）は溶接前、（ｂ）は溶接後を示す図。 従来の溶接四面箱形断面部材の角溶接部を説明する図で（ａ）は溶接後、（ｂ）は溶接部の破断状況を示す図。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部を示す図で（ｂ）は（ａ）に示した角溶接用開先部の一部を変形した角溶接用開先部を示す図。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部を示す図で（ｂ）は（ａ）に示した角溶接用開先部の一部を変形した角溶接用開先部を示す図。 本発明の他の実施例に係る溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部を示す図。 （ａ）は本発明の他の実施例に係る溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部を示す図で（ｂ）は（ａ）に示した角溶接用開先部の一部を変形した角溶接用開先部を示す図。 本発明に係る溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部が課題とする現象を実証するために実施したＦＥＭ解析の説明図で、（ａ）はＦＥＭ解析モデル、（ｂ）は柱梁接合部における変形状態を示す模式図、（ｃ）は（ａ）（ｂ）のａ部拡大図。 図７のＦＥＭ解析モデルの解析結果を示す図。 ＣＯ_２ガス溶接で５９０Ｎ／ｍｍ^２級鋼材（板厚４０ｍｍ）と５９０Ｎ／ｍｍ^２級の溶接材料を用いて製作した溶接継手を対象として実施した熱影響部とＤＥＰＯのシャルピー衝撃試験結果（試験温度０℃）を示す図。 サブマージアーク溶接で５９０Ｎ／ｍｍ^２級鋼材（板厚４０ｍｍ）と５９０Ｎ／ｍｍ^２級の溶接材料を用いて製作した溶接継手を対象として実施した熱影響部とＤＥＰＯのシャルピー衝撃試験結果（試験温度０℃）を示す図。 図９、１０のシャルピー衝撃試験の試験片採取位置とノッチ位置を示す図。 従来の角溶接部の開先形状を示す図で（ａ）はレ形開先、（ｂ）はＩ形開先、（ｃ）はＶ形開先、（ｄ）はＩ＋Ｖ形開先の場合を示す。 溶接組立四面箱形断面部材の断面形状を示す図。

本発明に係る溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部は、フランジプレートとウェブプレートを溶接した際に、裏当て金とフランジプレートとの隙間の延長線上に欠陥が発生しやすい初層溶接部や強度・靭性が低い溶接熱影響部が位置しない開先形状とすることを特徴とする。

図１は本発明の一実施形態に係る溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部を長手方向に直角な断面において示す図で、フランジプレートのウェブプレートに対向する部分の切欠き部として、溶接する際の初層溶接が裏当て金を溶融させない、略矩形の形状の切欠き部の場合を示す。

図１の（ａ）は溶接前、（ｂ）は（ａ）に示した角溶接用開先部の溶接後を示し、これらの図において、１はフランジプレート、２はウェブプレート、３は開先空間、４は裏当て金、５は溶接金属、６は溶接熱影響部、７はフランジプレート１と裏当て金４との隙間、８は初層溶接部を示す。

図１（ａ）に示した開先部は溶接四面箱形断面部材の角部において隣り合うフランジプレート１とウェブプレート２を溶接するための角溶接用開先部であって、溶接四面箱形断面部材の長手方向に直角な断面において、フランジプレート１と、フランジプレート１と間隙を設けて配置されるウェブプレート２と、フランジプレート１と接し、前記間隙の底部からウェブプレート２に架けて配置される裏当て金４で構成される。

フランジプレート１は、ウェブプレート２に対向する部分に略矩形の切欠き部を有する。切欠き部は長辺３ａの長さ１ｖがウェブプレート２の板厚と同じ長さで、裏当て金４に繋がる短辺３ｂの長さ１ｈを、少なくとも、当該切欠き部を溶接する際の初層溶接８が裏当て金４を溶融させない長さとする。

本発明に係る開先部において溶接金属５が充填される開先空間３は、長辺３ａと短辺３ｂの略矩形の切欠き部と、フランジプレート１で裏当て金４が接する側面の延長線（図示しない）とウェジプレート２のフランジプレート１側の端面で囲まれる空間で構成される。

図１（ｂ）は図１（ａ）に示した開先部の溶接後の状態を示し、角溶接では開先空間３の裏当て金４側の底面のフランジプレート１側とウェジプレート２側に初層溶接部８が形成されるが、本発明では、裏当て金４に繋がる短辺３ｂの長さ１ｈを、少なくとも、初層溶接が裏当て金４を溶融させない長さとするので、溶接欠陥が比較的発生しやす初層溶接部８および長辺３を溶接した際の溶接熱影響部６が隙間７の延長線上に位置しない。

本発明に係る溶接四面箱形断面部材では、梁からの応力が角溶接部に作用して隙間７の先端にき裂が発生しても、フランジプレート１に沿った溶接熱影響部６がき裂の延長線上にないので脆性破壊する危険性が低下する。

隙間７の直上には、隙間７と直交して溶接熱影響部６が位置するが、溶接金属５の靭性を改善したり、溶接熱影響部６が発生する裏当て金４、フランジプレート１に靭性の高い鋼材を用いてき裂伝播を防止すれば良い。

実構造物において角溶接部で脆性破壊する危険性を低下させる場合、図８において歪集中部位を熱影響部から離すには５ｍｍ以上離す必要があること、および、溶接部の開先を欠陥を生むことなく合理的に溶接で埋めるためには一般的にはルートギャップとしてレ形開先では７ｍｍ〜８ｍｍ程度、Ｉ形開先では大きくとも１５ｍｍ程度であることを勘案し、短辺３ｂの長さ１ｈは５ｍｍ以上１０ｍｍ以下が好ましく、更に好ましくは開先加工を容易とするため、長辺３ａと短辺３ｂの為す角度Ｒａを９０°以上、１２０°以下とする。

本発明の他の実施例に係る溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部を図３〜図６に示す。これらの図において図１と同じものには同じ符号を付して示す。

図３はウェブプレート２でフランジプレート１に対向する辺を斜辺とした「レ形」開先の場合で、（ａ）は、フランジプレート１のウェブプレート２に対向する部分に略矩形の切欠き部を有する場合、（ｂ）はフランジプレート１のウェブプレート２に対向する部分が２辺で切欠かれ、裏当て金４に繋がる短辺とその他の辺のなす角度Ｒａが９０°超えである場合を示す。

図４は、ウェブプレート２でフランジプレート１に対向する面をフランジプレート１と平行とした「Ｉ形」開先の場合で、（ａ）は、フランジプレート１のウェブプレート２に対向する部分に略矩形の切欠き部を有する場合、（ｂ）はフランジプレート１と裏当て金４が接する面を対称軸として、ウェブプレート２の板厚長さを一辺とし、裏当て金４の一部を切り欠いた長さを他辺とする２辺からなり、両辺のなす角度Ｒｂが９０°超えの切り込み形状がフランジプレート１と裏当て金４が接する面を対称軸として、フランジプレート１側にも形成された「変形Ｉ形」場合を示す。フランジプレート１側で裏当て金４に繋がる辺とその他の辺がなす角度Ｒａは角度Ｒｂと等しい。

図５は、ウェブプレート２でフランジプレート１に対向する辺を斜辺とし、フランジプレート１と裏当て金４が接する面を対称軸として、フランジプレート１側にもウェブプレート２に対向する辺を斜辺とした「略Ｖ形」開先の場合を示す。

図６は、切欠き部を３辺で構成した「Ｉ＋Ｖ形」の開先部を示し、（ａ）は図４（ａ）の開先部のスキンプレート側を外側に開く辺で切り欠いた場合、（ｂ）は図４（ｂ）の開先部のスキンプレート側を外側に開く辺で切り欠いた場合を示す。

以上の説明は、本発明に係る溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部の長手方向に直角な断面における開先形状について行ったもので、本発明に係る溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部は部材長手方向の任意の断面において当該開先形状を備えるものである。

１ フランジプレート
２ ウェブプレート
３ 開先空間
４ 裏当て金
５ 溶接金属
６ 溶接熱影響部
７ 隙間
８ 初層溶接部

Claims (5)

1. 溶接四面箱形断面部材の角部において隣り合うフランジプレートとウェブプレートを溶接するための溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部であって、前記開先部は前記溶接四面箱形断面部材の長手方向に直角な断面において、前記フランジプレートと、前記フランジプレートと間隙を設けて配置される前記ウェブプレートと、前記間隙の底部に配置される裏当て金を有し、前記フランジプレートは、少なくとも前記ウェブプレートに対向する部分に切欠き部を有し、前記切欠き部は当該切欠き部を溶接する際の前記フランジプレート側の初層溶接が前記裏当て金を溶融させない形状であることを特徴とする溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部。
2. 前記切欠き部はフランジプレートを少なくとも２辺の直線で切欠き、前記辺のうち、前記裏当て金に繋がる辺の長さが他の辺より短い短辺で５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部。
3. 前記切欠き部はフランジプレートを少なくとも２辺の直線で切欠き、前記辺のうち、前記裏当て金に繋がる辺の長さが他の辺より短い辺を短辺とし、前記短辺とその他の辺の為す角度が、９０°以上、１２０°以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部。
4. 前記辺が２辺で、長辺が前記ウェブプレートの板厚と同じ長さで、短辺が当該切欠き部を溶接する際の初層溶接が前記裏当て金を溶融させない長さを有する略矩形であることを特徴とする請求項２又は３記載の溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部。
5. 請求項１乃至４のいずれか一つに記載の溶接四面箱形断面部材の角溶接用開先部において、前記間隙に溶接金属が充填されてなることを特徴とする溶接四面箱形断面部材。