説明

裏置きビード溶接法

【課題】立て板側においても滑らかな止端部で脚長を有すると共に寸法の大きい裏ビードを形成し、溶接歪みが小さく、特性の良好なT字継ぎ手を形成できる裏置きビード溶接法を提供する。
【解決手段】裏置きビードを付けた第一溶接母材と、これと溶接する第二溶接母材とを裏置きビード溶接法によってT字継ぎ手状に接合するに際し、前記裏置きビードの幅をW(mm)、高さをH(mm)としたとき、これらの比(W/H)が3.0以下となるように裏置きビードを形成して操業を行う。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、建築構造物、土木構造物、機械構造物等における溶接箱形構造体に適用する裏置きビード溶接法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
上記のような溶接箱形構造体は、閉空間となるため、少なくとも1箇所(例えば、最終溶接部分)は、外部から溶接を行う必要がある。上記のような溶接箱形構造体を構築するに際し、構造物の強度上、特に疲労強度が問題となる箇所では、隅肉溶接法を適用したのではルート破壊(ルート割れ)の原因となるので、溶け込み溶接を行うことが望まれる。
【0003】
例えば、T字継ぎ手の裏置きビード溶接法(「裏波ビード溶接法」とも呼ばれる)では、図1に示すように、一対の溶接母材1、3のうちの一方の溶接母材1(第一溶接母材)の側面に裏置きビード2を形成しておき、この裏置きビード2に沿って、ルート面(ルートフェイス)を小さく取った他方の溶接母材3(第二溶接母材)の開先を配置し、この開先付近にアーク(図中4は、溶接ワイヤを示す)および溶融池が形成され、その際ルートフェイスの一部も溶融し、これらがアーク側(図1の左側)から開先の先端部の隙間を通って裏置きビード2側に流出し、裏置きビード2と一体となって裏ビード5を形成して、溶接母材1、3が接合される。
【0004】
このような溶接法は、最終的に片面側から溶け込み溶接を行うことができるので、上記のような制約のある溶接箇所の溶接法として適切である。
【0005】
このような裏置きビード溶接法については、かねてより様々検討されており、例えば特許文献1には代表的な方法が開示されている。しかしながら、このような従来の裏置きビード溶接法では、図2(図1の部分拡大説明図)に示すように、溶接母材3側での止端部(溶接母材3と裏ビート5の境界部)6で裏ビード5がなす角度(図2中θで示す:以下「止端部角度」と呼ぶことがある。)が小さくなるという問題がある。更に、裏置きビード2側に形成される裏ビード5が反対側(アーク放電側)に形成されるビードよりも比較的小さくなるという問題がある。こうした現象は、溶接構造物を構築する上で、その特性を劣化する方向に作用する。
【0006】
即ち、止端部角度θが小さくなると、隅肉溶接した場合と同様に、止端部6での応力集中が大きくなって割れの原因となる。また裏置きビード2側に形成される裏ビード5が反対側(アーク放電側)に形成されるビードよりも小さくなれば、一対の溶接母材相互の接合強度が小さくなる傾向がある。
【0007】
上記のような課題を解決するために、例えば特許文献2のような技術も提案されている。この技術では、溶接母材1の側面に裏置きビード2を形成すると共に、もう一方の溶接母材3の側面にも裏置きビードを形成し、両方の裏置きビード2を接合するように裏ビード5を溶接するものである。しかしながら、こうした方法では、施工工程が増加するという問題がある。また、溶接母材3の側面にも裏置きビードを形成することによって、その部分の肉厚が大きくなって、溶接母材3のルート部が溶けにくくなり、溶湯が不安定になって、良好な裏ビードが形成されなという問題もある。
【0008】
裏置きビード溶接法によって、良好な溶接継ぎ手を形成するには、溶接母材3側においても滑らかな止端部で脚長を有する裏ビードを形成する(即ち、止端部角度θを180°に近づくように大きくする)必要があるが、従来の溶接法ではこのような良好な裏ビードが形成されないのが実情である。以下では説明の便宜上、溶接母材3を「立て板」と呼ぶことがある。
【0009】
また、いずれの技術においても、裏置きビード2は溶接母材1の側面に形成する(ビードオンプレート)ものであるが、溶接母材1が厚さ10mm程度の板材の場合には、ビードオンプレートを行うだけでも溶接母材1に歪みが生じて変形し、箱形構造体の寸法精度が悪化するという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】特開平4−238670号公報
【特許文献2】特開平6−23544号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
本発明は上記のような事情に着目してなされたものであって、その目的は、立て板側においても滑らかな止端部で脚長を有すると共に寸法の大きい裏ビードを形成し、溶接歪みが小さく、特性の良好なT字継ぎ手を形成できる裏置きビード溶接法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記目的を達成することのできた本発明の裏置きビード溶接法とは、裏置きビードを付けた第一溶接母材と、これと接合する第二溶接母材とを裏置きビード溶接法によってT字継ぎ手状に溶接するに際し、前記裏置きビードの幅をW(mm)、高さをH(mm)としたとき、これらの比(W/H)が3.0以下となるように裏置きビードを形成して操業する点に要旨を有するものである。
【0013】
本発明方法においては、溶接電流I0(A)と溶接電圧V0(V)の比(I0/V0)を11以上として裏置きビードを形成することが好ましい。また、前記裏置きビードの頂点が幅Wの中央から外れており、裏置きビードの立ち上がりと頂点の距離が短い側に、前記第二溶接母材を配置し、この立ち上がりと頂点との距離をD(mm)としたとき、距離Dと高さH(mm)の比(D/H)が1.5以下となるようにしながら第二母材を溶接することも好ましい実施態様である。
【発明の効果】
【0014】
本発明の溶接法によれば、形状が良好で寸法の大きい裏ビードを形成することができ、継ぎ手の疲労強度を上昇させることができる。また、本発明方法では、比較的低い入熱量で溶接を行うことができるので、裏置きビード施工時の溶接変形を小さく抑えることが可能となり、最終的な溶接施工に精度の高い仮組み立てが可能となり、生産性向上にも繋がるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】従来の裏置きビード溶接法の状況を示す説明図である。
【図2】図1の一部拡大説明図である。
【図3】本発明方法で裏置きビードを形成するときの説明図である。
【図4】比(W/H)とビード角との関係を示すグラフである。
【図5】比(I0/V0)と比(W/H)との関係を示すグラフである。
【図6】低入熱MAG溶接によって形成した裏置きビードの形状を示す図面代用写真である。
【図7】通常MAG溶接によって形成した裏置きビードの形状を示す図面代用写真である。
【図8】非対称の裏置きビードを形成するときの説明図である。
【図9】実施例における溶接母材の配置状況を示す説明図である。
【図10】実施例で形成した裏ビードの形状(測定位置)を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
本発明者らは、立て板側においても滑らかな止端部で脚長を有する裏ビードを形成することのできる溶接条件について様々な角度から検討した。その結果、ビードオンプレートによって形成される裏置きビートの形状が、その後の溶接で形成される裏ビードの形状に影響を及ぼすとの知見が得られた。こうした状況を、図面を用いて説明する。
【0017】
従来の裏置きビード溶接法では、裏置きビード2のビード幅Wに対してビード高さHが低くなる傾向があり(前記図2参照)、裏置きビード2の形状(断面形状)が扁平な状態となっているのが通常である。このように、裏置きビード2の形状が扁平であると、アーク放電側から流出した溶融池で形成される裏ビード5も扁平なものとなり、止端部6が滑らかにならないと考えられた。
【0018】
これに対して、図3(本発明方法で裏置きビードを形成するときの説明図)に示すように、裏置きビード2aの形状が凸状になると(即ち、扁平でなくなると)、流出する溶融池が高くまで上がり、裏ビード5aの寸法を大きくとることができると共に、止端部6が滑らかなものとなる(止端部角度θが大きくなる)。
【0019】
そして本発明者らは、裏置きビード2aの幅をW(mm)、高さをH(mm)としたとき、これらの比(W/H)が3.0以下となるように裏置きビード2aを形成してやれば、形状が良好で寸法の大きい裏ビードが形成でき、継ぎ手の疲労強度を上昇させることができることを見出し、本発明を完成した。
【0020】
ビードオンプレートによって裏置きビードを形成すると、鋼材、溶接材料、シールドガス等の溶接条件によっても裏置きビードの形状が異なるものとなる。ほぼ同じ溶着量で裏置きビードの形状を比較すると、溶接電圧(アーク電圧)を低く抑えたショートアーク(アーク電圧とアーク長は比例する)によって形成した裏置きビードの方が、凸状のものとなる。
【0021】
また、橋絡移行を利用することによって、ショートアークを形成することができる。こうした観点から、本発明の溶接法においては、溶接電流I0(A)と溶接電圧V0(V)の比(I0/V0)を11以上として裏置きビードを形成することが好ましい。こうした溶接条件は、同じ溶接電流(アーク電流)を想定した場合に、比較的低い溶接電圧で溶接できる条件を意味するので、以下では「低入熱溶接」と呼ぶことがある。尚、アークが溶接の単位長(1cm)当たりに発生する電気的エネルギー(溶接入熱量)Qは、溶接速度をv(cm/min)としたとき、下記(1)式で与えられる。
Q=(60×I0×V0)/v(Joule/cm) …(1)
【0022】
本発明で裏置きビードを形成するときの溶接法は、基本的に不活性ガス(例えば、Ar:100容量%)を用いるMIG溶接(Metal Inert−gas arc welding)が代表的な方法として挙げられるが、こうした方法に限らず、シールドガスとして一部にCO2ガスを含んだ雰囲気で行うMAG溶接(Metal active−gas shielded arc welding)も適用できる。また、炭酸ガスアーク溶接法、被覆アーク溶接法等の他の消耗電極式アーク溶接法も適用できるが、TIG溶接(Tungsten Inert−gas arc welding)等の非消耗電極式アーク溶接法も適用できる(この場合には、溶接ワイヤ4とは別に電極が必要となる)。
【0023】
また、裏ビード5aを形成するときの溶接(以下、「本溶接」と呼ぶことがある)は、基本的に裏置きビードを形成するときの溶接法に従えばよく、溶接電流I0(A)と溶接電圧V0(V)の比(I0/V0)を厳密に規定する必要はないが、より良好な裏ビードを形成するためには比(I0/V0)を11以上に制御することが好ましい。
【0024】
溶接材料(溶接ワイヤ)の供給量を溶滴移行に合わせて制御する溶接電源を用い、MAG溶接によって裏置きビードを形成した場合に、溶接電流(アーク電流)と溶接電圧(アーク電圧)が裏置きビードの形態に与える影響について調査した。その結果を、下記表1〜4に示す。このうち、表1、3は、低入熱溶接(以下、「低入熱MAG溶接」と呼ぶ)を適用した場合の結果を示しており、表2、4は通常の溶接(以下、「通常MAG溶接」と呼ぶ)を適用したときの結果を示している。また、表1、2は50kg鋼を用いた場合、表3、4は100kg鋼を用いた場合の結果を、夫々示している。表1〜4に示したビード角は、ビード1/2高さ位置での接触角(後記図6参照)を示している。
【0025】
【表1】

【0026】
【表2】

【0027】
【表3】

【0028】
【表4】

【0029】
これらの結果に基づき、裏置きビードの幅W(mm)と高さH(mm)の比(W/H)と、ビード角との関係を図4に示す。ビード角の臨界値として、縦と横が1:1となる45°を考慮すると、比(W/H)を3.0以下にすれば、良好な裏置きビードが形成できることが分かる。この比(W/H)の値は、好ましくは2.6以下であり、より好ましくは2.2以下である。また、裏置きビードおよび立て板(第二溶接母材3)の表面張力によって、止端部角度θの大きな裏ビードが形成できることになる。
【0030】
溶接電流I0と溶接電圧V0の比(I0/V0)と、前記比(W/H)(即ち、裏置きビードの形態)との関係を図5に示す。即ち、比(I0/V0)を11以上とすることによって、比(W/H)を小さくできる(即ち、3.0以下にできる)ことが分かる。この比(I0/V0)の値は、好ましくは12以上であり、より好ましくは13以上である。
【0031】
上記で示したデータのうち、低入熱MAG溶接(表3の試験No.8)によって形成した裏置きビードの形状を図6(図面代用写真)に示す。また通常MAG溶接(表2の試験No.6)によって形成した裏置きビードの形状を図7(図面代用写真)に、夫々示す。
【0032】
本発明で形成される裏置きビードは、断面形状が対称である必要はなく、例えば図8(a)に示すように、裏置きビード2bの頂点Pが幅Wの中央から外れているような状態(非対称)であっても良い。例えば図8(b)に示すように、少なくとも立て板(第二溶接母材3)側のビード角が大きければ、上記と同様の効果が得られることになる。
【0033】
このような裏置きビード2bを形成した場合には、裏置きビード2bの立ち上がりと頂点Pとの距離が短い側に立て板2を配置し、その立ち上がりと頂点Pとの距離(短い側の距離)をD(mm)としたとき、距離Dと高さH(mm)の比(D/H)が1.5以下となるようにしながら溶接母材を溶接することが好ましい。即ち、比(W/H)が3.0以下となるような状況が、少なくとも立て板を配置する側だけに形成するだけで、本発明の効果が達成できることになる。尚、D/Hはより好ましくは1.3以下であり、更に好ましくは1.2以下である。
【0034】
上記のような形態の裏置きビード2bを形成するに当っては、溶接母材1を傾斜させて形成すれば良い。例えば図8(a),(b)に示した状態では、図8の右側を下げるように傾斜させることによって、上記のような形態の裏置きビード2b形成することができる。このような裏置きビード2bを形成することは、溶接母材1側の止端部6aを潤らかにすることにもなるので、その止端部6aの疲労強度向上にも繋がる。
【0035】
本発明方法で用いられる溶接母材(金属板)の種類については、特に限定されない。また、溶接母材の厚さについても限定されないが、通常板厚が3〜50mmのものを想定したものである。
【実施例】
【0036】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前記・下記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【0037】
形状が100×300×10(mm)の一対の鋼板(溶接母材)を用意し(同厚同士)、MAGアーク溶接(溶接装置:「SENSARC AB500」 株式会社神戸製鋼所製)によって、下記の溶接条件でT字継ぎ手溶接を行った。このときの溶接接合部の状況を図9に示す(図中7は、溶接母材同士を一時固定する拘束板を示す)。尚、試験板長さ(300mm)は、裏置きビードの長さに相当するものである。このときの裏置きビードの溶接条件と、裏置きビードの形状(WおよびH)は、下記表5に示す通りである。
【0038】
[溶接条件]
母材材質:SM400
溶接材料(溶接ワイヤ):MG50R(直径:1.2mm)
裏置きビード用電源:商品名「TPS5000MV/VR7000CMT」 Fronius社製
【0039】
【表5】

【0040】
次に、下記表6に示す溶接条件(溶接姿勢、溶接速度、電流、電圧)で本溶接を行なった(シールドガス組成:80容量%Ar+20容量%CO2)。その結果、形状が良好(止端部形状が滑らかで、寸法の大きい)な裏ビードが形成されていることが確認できた(表6の試験No.11〜13)。尚、表6に示した角度φおよび溶接寸法Sの測定位置は、図10に示す通りである。
【0041】
【表6】

【符号の説明】
【0042】
1 第一溶接母材
2,2a,2b 裏置きビード
3 第二溶接母材
4 溶接ワイヤ
5,5a 裏ビード
6,6a 止端部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
裏置きビードを付けた第一溶接母材と、これと接合する第二溶接母材とを裏置きビード溶接法によってT字継ぎ手状に溶接するに際し、前記裏置きビードの幅をW(mm)、高さをH(mm)としたとき、これらの比(W/H)が3.0以下となるように裏置きビードを形成して操業することを特徴とする裏置きビード溶接法。
【請求項2】
溶接電流I0(A)と溶接電圧V0(V)の比(I0/V0)を11以上として裏置きビードを形成する請求項1に記載の裏置きビード溶接法。
【請求項3】
前記裏置きビードの頂点が幅Wの中央から外れており、裏置きビードの立ち上がりと頂点の距離が短い側に、前記第二溶接母材を配置し、この立ち上がりと頂点との距離をD(mm)としたとき、距離Dと高さH(mm)の比(D/H)が1.5以下となるようにしながら第二溶接母材を溶接する請求項1または2に記載の裏置きビード溶接法。

【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8】
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【図9】
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【図6】
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【図7】
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【図10】
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【公開番号】特開2012−245530(P2012−245530A)
【公開日】平成24年12月13日(2012.12.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−117298(P2011−117298)
【出願日】平成23年5月25日(2011.5.25)
【出願人】(000001199)株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Fターム(参考)】