溶接方法及び溶接装置
【課題】Ｕ字状リブの外側の片面からすみ肉溶接を行った場合でも、Ｕ字状リブの内側に形成される裏波ビードが応力集中を回避する形状とする。
【解決手段】デッキプレート１０と縦板を構成するＵ字状リブのフランジ２４の突合せ部を溶接する方法に関する。フランジ２４のデッキプレート１０に当接する縁部をフランジ２４の一方の側（外側）から溶接することで、縁部を貫通してフランジ２４の他方の側（内側）に裏波ビードを形成する。その際に、フランジ２４の内側であって、フランジ２４の外側から溶接している領域に対応する領域に、当て金１をデッキプレート１０とフランジ２４に当接するように配置する。当て金１は、裏波ビードに対応する領域に面取りＣが施されている。
【解決手段】デッキプレート１０と縦板を構成するＵ字状リブのフランジ２４の突合せ部を溶接する方法に関する。フランジ２４のデッキプレート１０に当接する縁部をフランジ２４の一方の側（外側）から溶接することで、縁部を貫通してフランジ２４の他方の側（内側）に裏波ビードを形成する。その際に、フランジ２４の内側であって、フランジ２４の外側から溶接している領域に対応する領域に、当て金１をデッキプレート１０とフランジ２４に当接するように配置する。当て金１は、裏波ビードに対応する領域に面取りＣが施されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、橋梁に適用される鋼床版に補剛材をすみ肉溶接するのに好適な溶接方法及び溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９（ａ）に示されるように、鋼床版（補剛板）１００は、デッキプレート１０（鋼板）の一方の面に一定の間隔で複数のＵ字状リブ２０（補剛材）を配して構成されている。デッキプレート１０は、例えば厚さが１２〜１４ｍｍの鋼製の平板から構成され、Ｕ字状リブ２０は、例えば厚さが６〜９ｍｍの鋼製の平板を曲げ加工して断面をＵ字状とした形鋼から構成され、その幅は３０ｃｍ程度である。
Ｕ字状リブ２０の縁とデッキプレート１０とのすみ肉溶接部２１，２２については、疲労設計指針でＵ字状リブ２０の溶け込み必要深さをＵ字状リブ２０の板厚の７５％以上とすることが必要とされている（非特許文献１）。
ところが、鋼床版はデッキプレート１０上に設けられるアスファルト製の舗装３０(例えば厚さが８０ｍｍ)を介して車両による輪荷重を繰り返して受けるので、疲労損傷に対して留意が必要である。特に、すみ肉溶接部２１の溶け込み先端の延長線上の非溶接部Ｎに応力が集中して、図９（ｂ）に示すように、比較的早期に疲労亀裂Ｆが生じる。
【０００３】
そこで、溶け込み先端を起点する亀裂の発生を抑制するために、すみ肉溶接部２１をＵ字状リブ２０の板厚方向に貫通する完全溶込みとすることが提案されている（特許文献１〜３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２７２８２６号公報（図１１、図１２）
【特許文献２】特開２００８−２９０１１５号公報（図１）
【特許文献３】特開２００８−２９０１１６号公報（図１）
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】土木学会論文集No.519／Ｉ-32,127-137,1995.7 「鋼床版縦リブ・横リブ交差部の局部応力と疲労強度」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この完全溶込みを行う際に、Ｕ字状リブ２０の外側及び内側の両側からすみ肉溶接して応力集中部をなくすことが好ましいが、狭隘なＵ字状リブ２０の内側から溶接することは困難である。したがって、Ｕ字状リブ２０の外側のみから溶接を行わなければならない。ところが本発明者等の検討によると、外側のみから溶接したのでは、Ｕ字状リブ２０の内側に形成される裏波ビードが応力集中を生じさせる形状となる。そこで本発明は、応力集中を回避する裏波ビードを形成することのできる溶接方法を提供することを目的とする。
また本発明は、そのような溶接方法を実現することのできる溶接装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
裏波ビードが応力集中を生じさせる形状となるのは、溶接により裏側（溶接される側の反対側）に到達した溶融金属が自由に流動できるからであり、本発明者等が溶接電流、溶接電圧及び溶接速度などの溶接条件を調整しても、裏波ビードの形状を制御することは容易でない。特に、Ｕ字状リブは長さが１０ｍ程度と長いものがあり、この長さの全域に亘って裏波ビードを応力集中が生じにくい形状にするのは困難であった。
本発明者等は、Ｕ字状リブの内側（裏側）に当て金を配設しながら、Ｕ字状リブの外側から溶接することで、裏波ビードを応力集中の生じにくい形状に制御できることを知見した。
【０００８】
本発明は以上の検討結果に基づくものであり、平板状の鋼板と縦板の突合せ部を溶接する方法に関するものである。
この溶接方法は、縦板の鋼板に当接する縁部を縦板の一方の側から溶接することで、縁部を貫通して縦板の他方の側に達する裏波ビードを形成することを前提とする。
この溶接の際に、縦板の他方の側であって、縦板の一方の側から溶接している領域に対応する領域（以下、溶接対応領域という）に、当て金を配置して鋼板と縦板に当接させる。ただし、この当て金は、裏波ビードに対応する領域が面取りされていることを特徴としており、この面取りされている領域には、鋼板と縦板との間に空隙が形成される。
本発明の溶接方法は、裏波ビードに対応する領域が面取りされている当て金を、溶接対応領域に配置しながら溶接する。したがって、縦板の一方の側から溶接して形成される裏波ビードは、当て金の面取りにより形成される空隙に対応して形状が制御されながら冷却されるので、面取りの形状を調整することで、裏波ビードと鋼板がなす角度及び裏波ビードと縦板がなす角度の両者を応力集中がしにくい鈍角にできる。
【０００９】
本発明おいて、溶接が行われる長さ（縦板の長さ）が長い場合には、この長さに対応する当て金を用いることは現実的ではない。したがって、例えば、溶接により熱影響が生じる範囲に対応する短尺の当て金とし、この当て金を溶接に同期して移動させることが好ましい。
【００１０】
デッキプレートが平板状の鋼板をなし、Ｕ字状リブが縦板をなす場合に、平板状の鋼板と縦板の突合せ部は、リブの幅方向の両側に各々存在する。このように複数の突合せ部が存在する場合には、突合せ部ごとに当て金を配置して、複数の突合せ部を同時に溶接することが、生産効率の向上にとって好ましい。
【００１１】
本発明は、以上の溶接方法を実現する溶接装置を提供する。
この溶接装置は、平板状の鋼板と縦板の突合せ部を溶接するのに用いられる。また、この溶接装置は、縦板の鋼板に当接する縁部を縦板の一方の側から溶接することで、縁部を貫通して縦板の他方の側に裏波ビードを形成するのに用いられる。
本発明の溶接装置は、溶接トーチと、当て金と、を備える。
溶接トーチは、前記一方の側に配置されるとともに、溶接線の方向に移動可能とされている。
当て金は、縦板の他方の側であって、溶接対応領域に配置される。当て金は、鋼板と縦板に当接されるが、裏波ビードに対応する領域が面取りされている。
本発明の溶接装置は、当て金を、縦板に押し当てる押当て機構を備えている。
本発明の溶接装置においても、以上説明した溶接方法と同様に、裏波ビードの形状を制御することで、応力集中を抑えることができる。また、本発明の溶接装置においては、当て金を縦板に押し当てる押当て機構を備えているので、裏波ビードを所望する形状に安定して形成できる。
【００１２】
本発明の溶接装置において、溶接トーチの移動に同期して当て金を移動させる移動機構を備えることが好ましい。この機構は、短尺の当て金を用いる場合に効果的である。
前述したように、複数の突合せ部が存在する場合には、突合せ部ごとに当て金を配置して、複数の突合せ部を同時に溶接することができるが、この場合、移動機構は、複数の当て金を溶接トーチの移動に同期させて移動させる。
当て金を移動させる移動機構は、少なくとも二つの形態を含んでいる。
一つ目は、溶接が行われる領域外に配置される牽引装置により、当て金を溶接トーチの移動に同期して牽引する形態である。Ｕ字状リブをデッキプレートに溶接する場合、当て金は、Ｕ字状リブとデッキプレートで囲まれる閉空間内を移動することになる。狭隘であるこの閉空間に当て金の移動機構を設けるスペースを確保できない場合もある。そこで、この空間の外部に牽引装置を設け、この牽引装置と当て金を例えばワイヤロープで繋ぐことで、当て金を移動させる。
二つ目は、当て金を自走式にする形態である。Ｕ字状リブとデッキプレートで囲まれる閉空間内に自走式の機構を設けるスペースを確保できる場合、または、当て金を移動させるのが開空間の場合には、当て金を例えば自走式の台車により移動することができる。
【００１３】
本発明の溶接装置において、当て金を冷却する冷却機構を設けることができる。この場合、この冷却機構を当て金に近接して配置し、かつ、当て金と同期して移動することが望ましい。そうすることで、冷却機構と当て金の間に設けられる配管等の付帯部材、設備を最小限に抑えることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、裏波ビードに対応する領域が面取りされている当て金を、溶接対応領域に配置しながら溶接する。そうすると、縦板の一方の側から溶接して形成される裏波ビードは、当て金の面取りにより形成される空隙に対応して形状が制御されながら冷却されるので、面取りの形状を調整することで、裏波ビードと鋼板がなす角度及び裏波ビードと縦板がなす角度の両者を鈍角にできる。したがって、裏波ビードと溶接継手の境界部分への応力集中を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施の形態における溶接方法を説明する図であり、（ａ）はＵ字状リブとデッキプレートで形成される閉空間に当て金が配置される様子を示し、（ｂ）は当て金の正面図を示し、（ｃ）は当て金の平面図を示す。
【図２】（ａ）は溶接時に当て金が所定の位置に配置された状態を示す部分拡大図、（ｂ）は当て金を設けることなく溶接を行った溶接部のマクロ組織写真、（ｃ）は当て金を設けて溶接を行った溶接部のマクロ組織写真である。
【図３】図２（ｂ）の溶接部を模式化した図である。
【図４】図２（ｃ）の溶接部を模式化した図である。
【図５】（ａ）は図２（ｂ）のＡで囲まれる領域の中の溶接熱影響部のミクロ組織写真を示し、（ｂ）は図２（ｃ）のＢで囲まれる領域の中の溶接熱影響部のミクロ組織写真を示す。
【図６】（ａ）は図２（ｂ）のＡで囲まれる領域の中の溶接金属と母材の境界部のミクロ組織写真を示し、（ｂ）は図２（ｃ）のＢで囲まれる領域の中の溶接金属と母材の境界部のミクロ組織写真を示す。
【図７】第１の形態による溶接装置の構成を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）はＵ字状リブを除いた平面図である。
【図８】第２の形態による溶接装置の構成を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）はＵ字状リブを除いた平面図、（ｃ）は当て金の拡大断面図である。
【図９】（ａ）は鋼床版の構成を示す斜視図、（ｂ）は溶接部に生じた亀裂を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付する図１〜図６を参照しながら、本発明の溶接方法を鋼床版１００（図９）の作製を適用する実施形態に基づいて説明する。ただし、本発明に係る溶接方法が鋼床版１００以外の用途にも適用できることは言うまでもない。
鋼床版１００を作製する場合には、図１に示すように、デッキプレート１０上の予め定められた位置にＵ字状リブ２０が配置される。溶接は、デッキプレート１０を舗装３０が施工される側の面を下向きにしたデッキプレート１０に、Ｕ字状リブ２０を一対のフランジ２４の先端（縁部）が対向するように配置した状態で行われる。なお、フランジ２４が本発明の縦板を、また、デッキプレート１０が本発明の鋼板をなし、両者が溶接されることで、略Ｔ字型継ぎ手を構成する。
ここで、溶接に伴ってＵ字状リブ２０は加熱されるため、Ｕ字状リブ２０の動きを拘束しないと、溶接の進行にともなってＵ字状リブ２０に大きな反りが生じてしまい、Ｕ字状リブ２０を所定位置に溶接できなくなるおそれがある。したがって、溶接に先立って、Ｕ字状リブ２０をデッキプレート１０に仮止めすることが好ましい。この仮止めするには、Ｕ字状リブ２０の長手方向を間欠的に溶接すればよい。
【００１７】
Ｕ字状リブ２０は、ウェブ２３と、ウェブ２３の幅方向の両端から所定の角度で延びるフランジ２４とから構成される。
それぞれのフランジ２４の先端の外側には、レ形開先２５が形成されている。このレ形開先２５は、デッキプレート１０の表面となす角度αが５０°±３０°、ルートフェイスを２ｍｍ±２ｍｍ（図２ではゼロ）とすることが好ましい。
なお、ここではレ形開先２５を設けた例を示しているが、レ形開先が設けられていない縦板を用いることを本発明は許容し、この場合も後述する当て金１による効果を享受できる。
【００１８】
Ｕ字状リブ２０がフランジ２４を突き合わせてデッキプレート１０に載せられると、Ｕ字状リブ２０はデッキプレート１０とともに、横断面方向に閉空間が形成される。この閉空間を「内側」といい、フランジ２４よりも外方を「外側」というものとする。内側においてフランジ２４とデッキプレート１０とは角度βをなしている（図２（ａ））。
【００１９】
本実施の形態では、Ｕ字状リブ２０の外側からフランジ２４の先端とデッキプレート１０とをすみ肉溶接する。この際、フランジ２４（Ｕ字状リブ２０）の外側から内側に向けて溶け込みを貫通させ、内側に裏波ビードを形成させる完全溶込み溶接を行う。Ｕ字状リブ２０の外側から行う溶接の手法は本発明において限定されず、アーク溶接、レーザ溶接などの公知の種々の溶接方法を適用することができる。なお、本実施の形態ではフランジ２４の先端の外側にレ形開先２５が形成されているが、このように開先を有する部材を溶接する場合をも含めて、本願ではすみ肉溶接と表記する。
【００２０】
本実施の形態では、図１に示すように、当て金１をＵ字状リブ２０の内側に配置しながら、溶接を行う。この当て金１は、熱伝導性の優れた例えば銅又は銅合金から構成される概略直方体状の部材である。当て金１は、例えば冷却水を流通させるといった強制的な冷却機構を持たせることができるが、ここでは、その説明、図示を省略する。
当て金１は、六面のうちの一面がフランジ２４と当接される第１当接面３を構成し、また、他の一面がデッキプレート１０と当接される第２当接面５を構成する。第１当接面３と第２当接面５とがなす角度γは、フランジ２４とデッキプレート１０とがなす角度βと等しく（∠β＝∠γ）設定されている。したがって、Ｕ字状リブ２０の内側において、第２当接面５をデッキプレート１０に対向させ、また、第１当接面３をフランジ２４に対向させて配置し、さらに、第１当接面３をフランジ２４に向けて押し付けることにより、フランジ２４に第１当接面３を当接させ、また、デッキプレート１０に第２当接面５を当接させることができる。ただし、図２では、フランジ２４と第１当接面３を、またデッキプレート１０と第２当接面５を、意図的に離間させている。当て金１がこの当接状態にあることを、当て金１がセットされている、ということにする。そして、当て金１は、フランジ２４の外側から溶接が行われている際に、Ｕ字状リブ２０の内側であって、溶接されている領域に対応する領域に配置される。
【００２１】
当て金１は、第１当接面３と第２当接面５との境界部に、面取りＣが形成されている。この面取りＣは、当て金１の長手方向の全長に亘って形成されている。また、面取りＣは、当て金１をセットして溶接を行う際に、裏波ビードが形成される領域に対応して設けられている。当て金１がセットされている状態（溶接前）で、第１当接面３とフランジ２４は当接し、また、第２当接面５とデッキプレート１０は当接すると、当て金１は隙間なくＵ字状リブ２０内にセットされるが、面取りＣとフランジ２４及びデッキプレート１０との間には、面取りＣに応じた隙間が形成される。この隙間を、溶金規制空隙ということにする。なお、面取りＣの形状は、円弧、その他の曲線であってもかまわない。
【００２２】
本実施形態によるすみ肉溶接は、当て金１がセットされている状態で行われる。溶接の際に、当て金１は以下の役割を果たす。
当て金１は、溶接により内側に到達した溶融金属が自由に流動するのを拘束しながら、溶融金属を冷却・固化させる。つまり、内側に達した溶融金属は、面取りＣにより形成される溶金規制空隙の内部でのみ流動が許され、溶金規制空隙の外部に流出することなく固化される。したがって、この面取りＣの形状、寸法を特定すれば、裏波ビードの形状を制御することができる。
【００２３】
本発明者等は、当て金１を設けること以外の条件（溶接電流、溶接電圧及び溶接速度を含む）を一致させて溶接を行った。溶接後に略Ｔ字型継ぎ手部近傍の断面マクロ観察を行った。その結果を図２（ｂ）、（ｃ）に示す。また、図３にマクロ観察（図２（ｂ））から得られた模式図を、また、図４にマクロ観察（図２（ｃ））から得られた模式図を示す。
【００２４】
図２（ｂ）、図３に示すように、当て金１を設けることなく溶接を行うと、裏波ビードＢとデッキプレート１０のなす角度∠１１、及び裏波ビードＢとフランジ２４のなす角度∠１２は、略９０°又は鋭角となる。また、裏波ビードＢのデッキプレート１０方向の脚長Ｌ１１と、裏波ビードＢのフランジ２４方向の脚長Ｌ１２は、Ｌ１２がＬ１１の２倍程度ある。また、デッキプレート１０から裏波ビードの最上端までの距離、つまり裏波ビード高さＨ１が高い。
【００２５】
これに対して図２（ｃ）、図４に示すように、当て金１を設けて溶接を行うと、裏波ビードＢとデッキプレート１０のなす角度∠２１、及び裏波ビードＢとフランジ２４のなす角度∠２２は、ともに鈍角にすることができる。また、図４に示すように、裏波ビードＢのデッキプレート１０方向の脚長Ｌ２１と裏波ビードＢのフランジ２４（縦板）方向の脚長Ｌ２２はほぼ等しく、当て金１を設けることで等脚長の裏波ビードＢが得られる。また、裏波ビード高さＨ２は低い。
このような特徴を有する裏波ビードの形状は、当て金１をセットした際に形成される溶金規制空隙に近似したものであり、当て金１により溶融金属の流動が規制されることが確認された。
【００２６】
以上の通りであり、当て金１を設けることで、裏波ビードＢとデッキプレート１０となす角度∠２１及び、裏波ビードＢとフランジ２４がなす角度∠２２をともに鈍角にできる。ここの角度が小さくなるほど溶接ルートに応力が集中しやすくなり、逆に、ここの角度が大きくなるほど溶接ルートに応力が集中しにくくなる。したがって、当て金１を配置しながら溶接を行うことで、裏波ビードを基点とする亀裂発生を抑制できる。特に、デッキプレート１０にＵ字状リブ２０を溶接する際に、サイズが大きいこともあり、デッキプレート１０に対するＵ字状リブ２０の取り付け誤差が位置により相違すること、さらには溶接中に溶接機の一次側電圧が変動するなどの溶接環境の変化が生じること、が想定される。しかし、そのような裏波ビードの変動要因があっても、面取りＣを備える当て金１を用いることで、裏波ビードを所望する形状に安定して形成することができる。
【００２７】
また、当て金１は、内側から溶接ビード及びその周囲を冷却する。そのために、図２〜図４を参照することで理解できるように、溶接の加熱により影響を受け組織が変化する領域（溶接熱影響部，以下ＨＡＺ）を狭くすることができる。よく知られているように、ＨＡＺは、結晶粒が粗大化するので、機械的特性、特に靭性が劣る。したがって、溶接された部材はＨＡＺがより狭くされることが望まれるが、当て金１を用いて溶接を行う本発明によるとＨＡＺを狭くする効果をも享受できる。
実際にミクロ組織を観察した（図５，図６参照）。その結果、当て金１を用いることで、ＨＡＺの結晶粒を微細化できるとともに、溶接金属と母材の境界部の結晶粒を微細化できることが明らかとなった。このように、ＨＡＺ及び境界部の結晶粒を微細化することによっても、溶接継手部の靭性を向上できる。
【００２８】
＜第１の形態＞
次に、当て金１を用いて鋼床版１００を作製するのに好適な溶接装置５０の例について図７を参照して説明する。
溶接装置５０は、溶接部６０と、当て金移動部７０と、制御部８０とを備えている。
溶接部６０は、Ｕ字状リブ２０の一対のフランジ２４をデッキプレート１０に同時に溶接するために、一対の溶接トーチ６１を備えている。溶接トーチ６１は、Ｕ字状リブ２０の長手方向に沿って設けられるガイドレール６３に案内されながら移動し、フランジ２４をデッキプレート１０に溶接する。
溶接トーチ６１は、制御部８０からの指示に従って、溶接を行うとともに、移動する。
溶接トーチ６１の種類は限定されず、公知の溶接方法に基づいて適宜定めることができる。また、溶接トーチ６１を移動させる手段も同様である。
【００２９】
当て金移動部７０は、一対の当て金本体７１と、一対の当て金本体７１同士を機械的に接続する連結材７２と、連結材７２上に載置される冷却水循環ユニット７３と、一対の当て金本体７１を互いに離間する向きに押圧する押圧体７４と、牽引装置７５と、を備えている。
銅合金製の当て金本体７１は、一対のフランジ２４をデッキプレート１０に同時に溶接するために、一対の溶接トーチ６１に対応して設けられている。当て金本体７１は、Ｕ字状リブ２０に比べて十分に短尺に設定されている。
当て金本体７１内部には、冷却水循環ユニット７３から供給される冷却水が破線矢印Ｅの向きに流れる流路７１ａが設けられている。流路７１ａの両端の開口部には、冷却水循環ユニット７３に繋がる配管７１ｂが繋がれている。
当て金本体７１は、デッキプレート１０との摺動面である下面に、摩擦係数の小さい部材を設けることで、当て金本体７１の移動を円滑に行うことができる。
なお、当て金本体７１の基本的な構成は、図１、図２に基づいて先に説明した通りであるが、図８には面取りＣの記載が省略されている。
【００３０】
連結材７２は、一対の当て金本体７１をその上部において連結する。
連結材７２は、白抜き矢印Ｇで示される当て金本体７１の移動方向の前後の二箇所で当て金本体７１を連結し、一対の当て金本体７１が同期して移動するように規制する。なお、連結材７２と当て金本体７１は、前記移動方向に直交する方向（幅方向）には相対的な移動ができるように、連結材７２が当て金本体７１を連結している。
【００３１】
冷却水循環ユニット７３は、図示を省略するが、冷却水を蓄えるタンクと、タンク内の冷却水を当て金本体７１に向けて供給するポンプと、ポンプを駆動するための電源と、を備える。
冷却水循環ユニット７３は、連結材７２上に搭載されるので、当て金本体７１と同期して移動し、溶接トーチ６１で溶接を行っている間、当て金本体７１に対して冷却水の供給及び循環を継続して行う。
【００３２】
押圧体７４は、一対の当て金本体７１の間に設けられ、各々の当て金本体７１をフランジ２４に押し付ける役割を担うものであり、バネなどの弾性体を用いることができるし、油圧シリンダなどの押圧機構を用いることもできる。
押圧体７４を一対の当て金本体７１の間に設けることで、一つの押圧体７４により、２つの当て金本体７１をフランジ２４に押し付けることができる。
【００３３】
牽引装置７５は、制御部８０により回転速度が制御される牽引モータ７６で回転駆動される巻取りドラム７７を備えている。この巻取りドラム７７に一端が固定される牽引ワイヤ７８の他端を、前方に位置する連結材７２に固定し、巻取りドラム７７で牽引ワイヤ７８を巻き取ることで、当て金移動部７０を移動させる。
【００３４】
制御部８０は、溶接トーチ６１の溶接条件及び移動条件を制御する。また、制御部８０は、牽引モータ７６の回転速度を制御することで、当て金移動部７０の移動条件を制御する。そして、制御部８０は、溶接トーチ６１で溶接されている領域に当て金本体７１が位置するようにしながら、溶接トーチ６１と当て金本体７１が同期して移動するように制御する。
【００３５】
以上の第１の形態による溶接装置５０によると、以下の効果を奏する。
（１）長大な当て金本体を用いると、フランジ２４、デッキプレート１０に対して当て金本体７１を隙間なく当接させることが困難である。これに対して、溶接装置５０は、Ｕ字状リブ２０よりも十分に短尺の当て金本体７１を用い、溶接トーチ６１と同期して移動させるので、当て金本体７１を隙間なくフランジ２４、デッキプレート１０に押し当てることができる。したがって、所望する形状の裏波ビードを安定して得ることができる。特に、押圧体７４により当て金本体７１をフランジ２４に向けて押し付けることで、より安定して所望する形状の裏波ビードを得ることができる。
（２）Ｕ字状リブ２０に対して一対の溶接トーチ６１、一対の当て金本体７１を配設して、両側を同時に溶接できるようにしたので、鋼床版１００の生産効率を向上できる。
（３）Ｕ字状リブ２０の外部（溶接の終点側）に設けられる牽引装置７５により、当て金本体７１を牽引して移動させる構成としたので、Ｕ字状リブ２０内部が狭隘であっても、当て金本体７１を無理なく移動できる。
（４）冷却水循環ユニット７３を、当て金本体７１と近接し、かつ同期して移動できるようにしたので、当て金本体７１との間に必要な配管系統などの付帯部材、設備を最小限にできるとともに、冷却水循環ユニット７３を移動させるための機構を別途設ける必要がない。
【００３６】
＜第２の形態＞
第１の形態による溶接装置５０は当て金本体７１を牽引装置７５により移動させる形態としたが、本発明はこれに限定されず、当て金本体を自走式にすることもできる。その例を、図８を参照して説明する。なお、図７と同じ構成要素については図８に同じ符号を付すことで、以下では第２の形態の特徴部分を中心に説明する。
【００３７】
第２の形態による溶接装置１５０は、自走台車１６０を備える。
自走台車１６０は、一対の当て金本体７１の間に配置され、図示を省略するが、車輪駆動用のモータと、モータの動力源であるバッテリを備える。また、自走台車１６０は、モータの回転速度を制御する制御部１６３を備える。制御部１６３は、当て金本体７１に内蔵される光センサ７１ｃの光検出の状況に応じて、モータの回転速度を制御し、溶接トーチ６１との同期移動を実現する。
自走台車１６０は、永久磁石製の車輪１６５を備える。永久磁石製の車輪１６５を用いることで、自走台車１６０は、車輪１６５とデッキプレート１０の間の摩擦力に加えて磁力により駆動力が生まれるので、当て金本体７１の移動のための負荷が変動しても、スリップが抑制された安定した走行ができる。この効果は、車輪１６５を永久磁石から構成する以外に、自走台車１６０の下部に永久磁石を配設し、デッキプレート１０に対して発生する吸引力を利用しても得ることができる。
【００３８】
第２の形態による溶接装置１５０は、当て金本体７１内に光センサ７１ｃを設けている。光センサ７１ｃで所定値以上の光を検出すると、自走台車１６０の制御部１６３にそのことが通知される。当て金本体７１は、外部の光が光センサ７１ｃに到達できるように、光取り込み孔７１ｄを形成している。光センサ７１ｃ、光取り込み孔７１ｄは、各当て金本体７１に設けられので、自走台車１６０はその前後方向及び幅方向に間隔を空けて光センサ７１ｃを備えることになる。
光センサ７１ｃを用いた溶接トーチ６１と自走台車１６０の同期移動は、例えば以下のように実現される。
溶接トーチ６１を前後の光センサ７１ｃの間に配置されるようにして自走台車１６０の移動、溶接トーチ６１による溶接を開始させる。
その際の自走台車１６０の移動速度は、溶接速度に一致させる。
自走台車１６０はデッキプレート１０上をスリップすることがある。そうすると、溶接の進行にともなって、溶接トーチ６１との間に位置ずれが生じる。この場合、自走台車１６０の前方に配置される光センサ７１ｃが溶接による光を検出する。この検出の結果は、自走台車１６０の制御部１６３に送られる。
制御部１６３は、モータの回転速度を制御し、自走台車１６０の移動速度を所定比率(例えば１０％)だけ速くする。なお、この比率はあらかじめ自走台車１６０の動き（追従性）を確認して設定すればよい。移動速度を遅くする場合も同様である。
そうして、しばらくすると前方に配置した光センサ７１ｃが光を検出しなくなる。その時点で、制御部１６３は、自走台車１６０の速度を初期値に戻す。
以上の速度調整を繰り返すことで、自走台車１６０が溶接トーチ６１よりも遅れて移動することを回避する。
【００３９】
自走台車１６０は、溶接トーチ６１よりも先に進むことも想定される。この場合は、以下のようにその移動速度が制御される。
この場合、自走台車１６０の後方に配置される光センサ７１ｃが溶接による光を検出する。この検出の結果は、自走台車１６０の制御部１６３に送られる。
制御部１６３は、モータの回転速度を制御し、自走台車１６０の移動速度を所定比率(例えば１０％)だけ遅くする。
そうして、しばらくすると後方に配置した光センサ７１ｃが光を検出しなくなる。その時点で、制御部１６３は、自走台車１６０の速度を初期値に戻す。
以上の速度調整を繰り返すことで、自走台車１６０が溶接トーチ６１よりも進んで移動することを回避する。
以上のようにして、溶接装置１５０は、当て金本体７１が溶接トーチ６１と同期して移動するのを担保することができる。
なお、光センサ７１ｃを用いて当て金本体７１が溶接トーチ６１と同期して移動することを担保する手法は、牽引装置を用いて当て金を移動させる第１の形態にも適用できる。
【００４０】
自走台車１６０は、２台のカメラ１６６、１６７を備えている。カメラ１６６、１６７は、各々、当て金本体７１を当てながら溶接することで形成された裏波ビードａ，ｂを撮影する。なお、裏波ビードａはカメラ１６６により撮影され、裏波ビードｂはカメラ１６７により撮影されるものとする。撮影された裏波ビードａ，ｂは、モニタ１６８に映し出される。溶接に関わる作業者は、モニタ１６８に映し出される裏波ビードａ，ｂを監視することで、溶接とほぼ同時に裏波ビードａ，ｂの形状を確認することができるので、溶接検査の効率を図ることができる。
なお、このカメラにより裏波ビードを撮影する手法は、牽引装置を用いて当て金を移動させる第１の形態にも適用できる。
【００４１】
以上、本発明の溶接装置の実施の形態を説明したが、これはあくまで一例であり、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１…当て金
３…第１当接面
５…第２当接面
１０…デッキプレート１０
２０…Ｕ字状リブ、２１，２２…すみ肉溶接部、２３…ウェブ、２４…フランジ、２５…レ形開先
５０，１５０…溶接装置
６０…溶接部、６１…溶接トーチ
７０…当て金移動部、７１…当て金本体、７１ｃ…光センサ
７３…冷却水循環ユニット
７４…押圧体
７５…牽引装置
８０，１６３…制御部
１６０…自走台車
１００…鋼床版
【技術分野】
【０００１】
本発明は、橋梁に適用される鋼床版に補剛材をすみ肉溶接するのに好適な溶接方法及び溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９（ａ）に示されるように、鋼床版（補剛板）１００は、デッキプレート１０（鋼板）の一方の面に一定の間隔で複数のＵ字状リブ２０（補剛材）を配して構成されている。デッキプレート１０は、例えば厚さが１２〜１４ｍｍの鋼製の平板から構成され、Ｕ字状リブ２０は、例えば厚さが６〜９ｍｍの鋼製の平板を曲げ加工して断面をＵ字状とした形鋼から構成され、その幅は３０ｃｍ程度である。
Ｕ字状リブ２０の縁とデッキプレート１０とのすみ肉溶接部２１，２２については、疲労設計指針でＵ字状リブ２０の溶け込み必要深さをＵ字状リブ２０の板厚の７５％以上とすることが必要とされている（非特許文献１）。
ところが、鋼床版はデッキプレート１０上に設けられるアスファルト製の舗装３０(例えば厚さが８０ｍｍ)を介して車両による輪荷重を繰り返して受けるので、疲労損傷に対して留意が必要である。特に、すみ肉溶接部２１の溶け込み先端の延長線上の非溶接部Ｎに応力が集中して、図９（ｂ）に示すように、比較的早期に疲労亀裂Ｆが生じる。
【０００３】
そこで、溶け込み先端を起点する亀裂の発生を抑制するために、すみ肉溶接部２１をＵ字状リブ２０の板厚方向に貫通する完全溶込みとすることが提案されている（特許文献１〜３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２７２８２６号公報（図１１、図１２）
【特許文献２】特開２００８−２９０１１５号公報（図１）
【特許文献３】特開２００８−２９０１１６号公報（図１）
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】土木学会論文集No.519／Ｉ-32,127-137,1995.7 「鋼床版縦リブ・横リブ交差部の局部応力と疲労強度」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この完全溶込みを行う際に、Ｕ字状リブ２０の外側及び内側の両側からすみ肉溶接して応力集中部をなくすことが好ましいが、狭隘なＵ字状リブ２０の内側から溶接することは困難である。したがって、Ｕ字状リブ２０の外側のみから溶接を行わなければならない。ところが本発明者等の検討によると、外側のみから溶接したのでは、Ｕ字状リブ２０の内側に形成される裏波ビードが応力集中を生じさせる形状となる。そこで本発明は、応力集中を回避する裏波ビードを形成することのできる溶接方法を提供することを目的とする。
また本発明は、そのような溶接方法を実現することのできる溶接装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
裏波ビードが応力集中を生じさせる形状となるのは、溶接により裏側（溶接される側の反対側）に到達した溶融金属が自由に流動できるからであり、本発明者等が溶接電流、溶接電圧及び溶接速度などの溶接条件を調整しても、裏波ビードの形状を制御することは容易でない。特に、Ｕ字状リブは長さが１０ｍ程度と長いものがあり、この長さの全域に亘って裏波ビードを応力集中が生じにくい形状にするのは困難であった。
本発明者等は、Ｕ字状リブの内側（裏側）に当て金を配設しながら、Ｕ字状リブの外側から溶接することで、裏波ビードを応力集中の生じにくい形状に制御できることを知見した。
【０００８】
本発明は以上の検討結果に基づくものであり、平板状の鋼板と縦板の突合せ部を溶接する方法に関するものである。
この溶接方法は、縦板の鋼板に当接する縁部を縦板の一方の側から溶接することで、縁部を貫通して縦板の他方の側に達する裏波ビードを形成することを前提とする。
この溶接の際に、縦板の他方の側であって、縦板の一方の側から溶接している領域に対応する領域（以下、溶接対応領域という）に、当て金を配置して鋼板と縦板に当接させる。ただし、この当て金は、裏波ビードに対応する領域が面取りされていることを特徴としており、この面取りされている領域には、鋼板と縦板との間に空隙が形成される。
本発明の溶接方法は、裏波ビードに対応する領域が面取りされている当て金を、溶接対応領域に配置しながら溶接する。したがって、縦板の一方の側から溶接して形成される裏波ビードは、当て金の面取りにより形成される空隙に対応して形状が制御されながら冷却されるので、面取りの形状を調整することで、裏波ビードと鋼板がなす角度及び裏波ビードと縦板がなす角度の両者を応力集中がしにくい鈍角にできる。
【０００９】
本発明おいて、溶接が行われる長さ（縦板の長さ）が長い場合には、この長さに対応する当て金を用いることは現実的ではない。したがって、例えば、溶接により熱影響が生じる範囲に対応する短尺の当て金とし、この当て金を溶接に同期して移動させることが好ましい。
【００１０】
デッキプレートが平板状の鋼板をなし、Ｕ字状リブが縦板をなす場合に、平板状の鋼板と縦板の突合せ部は、リブの幅方向の両側に各々存在する。このように複数の突合せ部が存在する場合には、突合せ部ごとに当て金を配置して、複数の突合せ部を同時に溶接することが、生産効率の向上にとって好ましい。
【００１１】
本発明は、以上の溶接方法を実現する溶接装置を提供する。
この溶接装置は、平板状の鋼板と縦板の突合せ部を溶接するのに用いられる。また、この溶接装置は、縦板の鋼板に当接する縁部を縦板の一方の側から溶接することで、縁部を貫通して縦板の他方の側に裏波ビードを形成するのに用いられる。
本発明の溶接装置は、溶接トーチと、当て金と、を備える。
溶接トーチは、前記一方の側に配置されるとともに、溶接線の方向に移動可能とされている。
当て金は、縦板の他方の側であって、溶接対応領域に配置される。当て金は、鋼板と縦板に当接されるが、裏波ビードに対応する領域が面取りされている。
本発明の溶接装置は、当て金を、縦板に押し当てる押当て機構を備えている。
本発明の溶接装置においても、以上説明した溶接方法と同様に、裏波ビードの形状を制御することで、応力集中を抑えることができる。また、本発明の溶接装置においては、当て金を縦板に押し当てる押当て機構を備えているので、裏波ビードを所望する形状に安定して形成できる。
【００１２】
本発明の溶接装置において、溶接トーチの移動に同期して当て金を移動させる移動機構を備えることが好ましい。この機構は、短尺の当て金を用いる場合に効果的である。
前述したように、複数の突合せ部が存在する場合には、突合せ部ごとに当て金を配置して、複数の突合せ部を同時に溶接することができるが、この場合、移動機構は、複数の当て金を溶接トーチの移動に同期させて移動させる。
当て金を移動させる移動機構は、少なくとも二つの形態を含んでいる。
一つ目は、溶接が行われる領域外に配置される牽引装置により、当て金を溶接トーチの移動に同期して牽引する形態である。Ｕ字状リブをデッキプレートに溶接する場合、当て金は、Ｕ字状リブとデッキプレートで囲まれる閉空間内を移動することになる。狭隘であるこの閉空間に当て金の移動機構を設けるスペースを確保できない場合もある。そこで、この空間の外部に牽引装置を設け、この牽引装置と当て金を例えばワイヤロープで繋ぐことで、当て金を移動させる。
二つ目は、当て金を自走式にする形態である。Ｕ字状リブとデッキプレートで囲まれる閉空間内に自走式の機構を設けるスペースを確保できる場合、または、当て金を移動させるのが開空間の場合には、当て金を例えば自走式の台車により移動することができる。
【００１３】
本発明の溶接装置において、当て金を冷却する冷却機構を設けることができる。この場合、この冷却機構を当て金に近接して配置し、かつ、当て金と同期して移動することが望ましい。そうすることで、冷却機構と当て金の間に設けられる配管等の付帯部材、設備を最小限に抑えることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、裏波ビードに対応する領域が面取りされている当て金を、溶接対応領域に配置しながら溶接する。そうすると、縦板の一方の側から溶接して形成される裏波ビードは、当て金の面取りにより形成される空隙に対応して形状が制御されながら冷却されるので、面取りの形状を調整することで、裏波ビードと鋼板がなす角度及び裏波ビードと縦板がなす角度の両者を鈍角にできる。したがって、裏波ビードと溶接継手の境界部分への応力集中を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施の形態における溶接方法を説明する図であり、（ａ）はＵ字状リブとデッキプレートで形成される閉空間に当て金が配置される様子を示し、（ｂ）は当て金の正面図を示し、（ｃ）は当て金の平面図を示す。
【図２】（ａ）は溶接時に当て金が所定の位置に配置された状態を示す部分拡大図、（ｂ）は当て金を設けることなく溶接を行った溶接部のマクロ組織写真、（ｃ）は当て金を設けて溶接を行った溶接部のマクロ組織写真である。
【図３】図２（ｂ）の溶接部を模式化した図である。
【図４】図２（ｃ）の溶接部を模式化した図である。
【図５】（ａ）は図２（ｂ）のＡで囲まれる領域の中の溶接熱影響部のミクロ組織写真を示し、（ｂ）は図２（ｃ）のＢで囲まれる領域の中の溶接熱影響部のミクロ組織写真を示す。
【図６】（ａ）は図２（ｂ）のＡで囲まれる領域の中の溶接金属と母材の境界部のミクロ組織写真を示し、（ｂ）は図２（ｃ）のＢで囲まれる領域の中の溶接金属と母材の境界部のミクロ組織写真を示す。
【図７】第１の形態による溶接装置の構成を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）はＵ字状リブを除いた平面図である。
【図８】第２の形態による溶接装置の構成を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）はＵ字状リブを除いた平面図、（ｃ）は当て金の拡大断面図である。
【図９】（ａ）は鋼床版の構成を示す斜視図、（ｂ）は溶接部に生じた亀裂を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付する図１〜図６を参照しながら、本発明の溶接方法を鋼床版１００（図９）の作製を適用する実施形態に基づいて説明する。ただし、本発明に係る溶接方法が鋼床版１００以外の用途にも適用できることは言うまでもない。
鋼床版１００を作製する場合には、図１に示すように、デッキプレート１０上の予め定められた位置にＵ字状リブ２０が配置される。溶接は、デッキプレート１０を舗装３０が施工される側の面を下向きにしたデッキプレート１０に、Ｕ字状リブ２０を一対のフランジ２４の先端（縁部）が対向するように配置した状態で行われる。なお、フランジ２４が本発明の縦板を、また、デッキプレート１０が本発明の鋼板をなし、両者が溶接されることで、略Ｔ字型継ぎ手を構成する。
ここで、溶接に伴ってＵ字状リブ２０は加熱されるため、Ｕ字状リブ２０の動きを拘束しないと、溶接の進行にともなってＵ字状リブ２０に大きな反りが生じてしまい、Ｕ字状リブ２０を所定位置に溶接できなくなるおそれがある。したがって、溶接に先立って、Ｕ字状リブ２０をデッキプレート１０に仮止めすることが好ましい。この仮止めするには、Ｕ字状リブ２０の長手方向を間欠的に溶接すればよい。
【００１７】
Ｕ字状リブ２０は、ウェブ２３と、ウェブ２３の幅方向の両端から所定の角度で延びるフランジ２４とから構成される。
それぞれのフランジ２４の先端の外側には、レ形開先２５が形成されている。このレ形開先２５は、デッキプレート１０の表面となす角度αが５０°±３０°、ルートフェイスを２ｍｍ±２ｍｍ（図２ではゼロ）とすることが好ましい。
なお、ここではレ形開先２５を設けた例を示しているが、レ形開先が設けられていない縦板を用いることを本発明は許容し、この場合も後述する当て金１による効果を享受できる。
【００１８】
Ｕ字状リブ２０がフランジ２４を突き合わせてデッキプレート１０に載せられると、Ｕ字状リブ２０はデッキプレート１０とともに、横断面方向に閉空間が形成される。この閉空間を「内側」といい、フランジ２４よりも外方を「外側」というものとする。内側においてフランジ２４とデッキプレート１０とは角度βをなしている（図２（ａ））。
【００１９】
本実施の形態では、Ｕ字状リブ２０の外側からフランジ２４の先端とデッキプレート１０とをすみ肉溶接する。この際、フランジ２４（Ｕ字状リブ２０）の外側から内側に向けて溶け込みを貫通させ、内側に裏波ビードを形成させる完全溶込み溶接を行う。Ｕ字状リブ２０の外側から行う溶接の手法は本発明において限定されず、アーク溶接、レーザ溶接などの公知の種々の溶接方法を適用することができる。なお、本実施の形態ではフランジ２４の先端の外側にレ形開先２５が形成されているが、このように開先を有する部材を溶接する場合をも含めて、本願ではすみ肉溶接と表記する。
【００２０】
本実施の形態では、図１に示すように、当て金１をＵ字状リブ２０の内側に配置しながら、溶接を行う。この当て金１は、熱伝導性の優れた例えば銅又は銅合金から構成される概略直方体状の部材である。当て金１は、例えば冷却水を流通させるといった強制的な冷却機構を持たせることができるが、ここでは、その説明、図示を省略する。
当て金１は、六面のうちの一面がフランジ２４と当接される第１当接面３を構成し、また、他の一面がデッキプレート１０と当接される第２当接面５を構成する。第１当接面３と第２当接面５とがなす角度γは、フランジ２４とデッキプレート１０とがなす角度βと等しく（∠β＝∠γ）設定されている。したがって、Ｕ字状リブ２０の内側において、第２当接面５をデッキプレート１０に対向させ、また、第１当接面３をフランジ２４に対向させて配置し、さらに、第１当接面３をフランジ２４に向けて押し付けることにより、フランジ２４に第１当接面３を当接させ、また、デッキプレート１０に第２当接面５を当接させることができる。ただし、図２では、フランジ２４と第１当接面３を、またデッキプレート１０と第２当接面５を、意図的に離間させている。当て金１がこの当接状態にあることを、当て金１がセットされている、ということにする。そして、当て金１は、フランジ２４の外側から溶接が行われている際に、Ｕ字状リブ２０の内側であって、溶接されている領域に対応する領域に配置される。
【００２１】
当て金１は、第１当接面３と第２当接面５との境界部に、面取りＣが形成されている。この面取りＣは、当て金１の長手方向の全長に亘って形成されている。また、面取りＣは、当て金１をセットして溶接を行う際に、裏波ビードが形成される領域に対応して設けられている。当て金１がセットされている状態（溶接前）で、第１当接面３とフランジ２４は当接し、また、第２当接面５とデッキプレート１０は当接すると、当て金１は隙間なくＵ字状リブ２０内にセットされるが、面取りＣとフランジ２４及びデッキプレート１０との間には、面取りＣに応じた隙間が形成される。この隙間を、溶金規制空隙ということにする。なお、面取りＣの形状は、円弧、その他の曲線であってもかまわない。
【００２２】
本実施形態によるすみ肉溶接は、当て金１がセットされている状態で行われる。溶接の際に、当て金１は以下の役割を果たす。
当て金１は、溶接により内側に到達した溶融金属が自由に流動するのを拘束しながら、溶融金属を冷却・固化させる。つまり、内側に達した溶融金属は、面取りＣにより形成される溶金規制空隙の内部でのみ流動が許され、溶金規制空隙の外部に流出することなく固化される。したがって、この面取りＣの形状、寸法を特定すれば、裏波ビードの形状を制御することができる。
【００２３】
本発明者等は、当て金１を設けること以外の条件（溶接電流、溶接電圧及び溶接速度を含む）を一致させて溶接を行った。溶接後に略Ｔ字型継ぎ手部近傍の断面マクロ観察を行った。その結果を図２（ｂ）、（ｃ）に示す。また、図３にマクロ観察（図２（ｂ））から得られた模式図を、また、図４にマクロ観察（図２（ｃ））から得られた模式図を示す。
【００２４】
図２（ｂ）、図３に示すように、当て金１を設けることなく溶接を行うと、裏波ビードＢとデッキプレート１０のなす角度∠１１、及び裏波ビードＢとフランジ２４のなす角度∠１２は、略９０°又は鋭角となる。また、裏波ビードＢのデッキプレート１０方向の脚長Ｌ１１と、裏波ビードＢのフランジ２４方向の脚長Ｌ１２は、Ｌ１２がＬ１１の２倍程度ある。また、デッキプレート１０から裏波ビードの最上端までの距離、つまり裏波ビード高さＨ１が高い。
【００２５】
これに対して図２（ｃ）、図４に示すように、当て金１を設けて溶接を行うと、裏波ビードＢとデッキプレート１０のなす角度∠２１、及び裏波ビードＢとフランジ２４のなす角度∠２２は、ともに鈍角にすることができる。また、図４に示すように、裏波ビードＢのデッキプレート１０方向の脚長Ｌ２１と裏波ビードＢのフランジ２４（縦板）方向の脚長Ｌ２２はほぼ等しく、当て金１を設けることで等脚長の裏波ビードＢが得られる。また、裏波ビード高さＨ２は低い。
このような特徴を有する裏波ビードの形状は、当て金１をセットした際に形成される溶金規制空隙に近似したものであり、当て金１により溶融金属の流動が規制されることが確認された。
【００２６】
以上の通りであり、当て金１を設けることで、裏波ビードＢとデッキプレート１０となす角度∠２１及び、裏波ビードＢとフランジ２４がなす角度∠２２をともに鈍角にできる。ここの角度が小さくなるほど溶接ルートに応力が集中しやすくなり、逆に、ここの角度が大きくなるほど溶接ルートに応力が集中しにくくなる。したがって、当て金１を配置しながら溶接を行うことで、裏波ビードを基点とする亀裂発生を抑制できる。特に、デッキプレート１０にＵ字状リブ２０を溶接する際に、サイズが大きいこともあり、デッキプレート１０に対するＵ字状リブ２０の取り付け誤差が位置により相違すること、さらには溶接中に溶接機の一次側電圧が変動するなどの溶接環境の変化が生じること、が想定される。しかし、そのような裏波ビードの変動要因があっても、面取りＣを備える当て金１を用いることで、裏波ビードを所望する形状に安定して形成することができる。
【００２７】
また、当て金１は、内側から溶接ビード及びその周囲を冷却する。そのために、図２〜図４を参照することで理解できるように、溶接の加熱により影響を受け組織が変化する領域（溶接熱影響部，以下ＨＡＺ）を狭くすることができる。よく知られているように、ＨＡＺは、結晶粒が粗大化するので、機械的特性、特に靭性が劣る。したがって、溶接された部材はＨＡＺがより狭くされることが望まれるが、当て金１を用いて溶接を行う本発明によるとＨＡＺを狭くする効果をも享受できる。
実際にミクロ組織を観察した（図５，図６参照）。その結果、当て金１を用いることで、ＨＡＺの結晶粒を微細化できるとともに、溶接金属と母材の境界部の結晶粒を微細化できることが明らかとなった。このように、ＨＡＺ及び境界部の結晶粒を微細化することによっても、溶接継手部の靭性を向上できる。
【００２８】
＜第１の形態＞
次に、当て金１を用いて鋼床版１００を作製するのに好適な溶接装置５０の例について図７を参照して説明する。
溶接装置５０は、溶接部６０と、当て金移動部７０と、制御部８０とを備えている。
溶接部６０は、Ｕ字状リブ２０の一対のフランジ２４をデッキプレート１０に同時に溶接するために、一対の溶接トーチ６１を備えている。溶接トーチ６１は、Ｕ字状リブ２０の長手方向に沿って設けられるガイドレール６３に案内されながら移動し、フランジ２４をデッキプレート１０に溶接する。
溶接トーチ６１は、制御部８０からの指示に従って、溶接を行うとともに、移動する。
溶接トーチ６１の種類は限定されず、公知の溶接方法に基づいて適宜定めることができる。また、溶接トーチ６１を移動させる手段も同様である。
【００２９】
当て金移動部７０は、一対の当て金本体７１と、一対の当て金本体７１同士を機械的に接続する連結材７２と、連結材７２上に載置される冷却水循環ユニット７３と、一対の当て金本体７１を互いに離間する向きに押圧する押圧体７４と、牽引装置７５と、を備えている。
銅合金製の当て金本体７１は、一対のフランジ２４をデッキプレート１０に同時に溶接するために、一対の溶接トーチ６１に対応して設けられている。当て金本体７１は、Ｕ字状リブ２０に比べて十分に短尺に設定されている。
当て金本体７１内部には、冷却水循環ユニット７３から供給される冷却水が破線矢印Ｅの向きに流れる流路７１ａが設けられている。流路７１ａの両端の開口部には、冷却水循環ユニット７３に繋がる配管７１ｂが繋がれている。
当て金本体７１は、デッキプレート１０との摺動面である下面に、摩擦係数の小さい部材を設けることで、当て金本体７１の移動を円滑に行うことができる。
なお、当て金本体７１の基本的な構成は、図１、図２に基づいて先に説明した通りであるが、図８には面取りＣの記載が省略されている。
【００３０】
連結材７２は、一対の当て金本体７１をその上部において連結する。
連結材７２は、白抜き矢印Ｇで示される当て金本体７１の移動方向の前後の二箇所で当て金本体７１を連結し、一対の当て金本体７１が同期して移動するように規制する。なお、連結材７２と当て金本体７１は、前記移動方向に直交する方向（幅方向）には相対的な移動ができるように、連結材７２が当て金本体７１を連結している。
【００３１】
冷却水循環ユニット７３は、図示を省略するが、冷却水を蓄えるタンクと、タンク内の冷却水を当て金本体７１に向けて供給するポンプと、ポンプを駆動するための電源と、を備える。
冷却水循環ユニット７３は、連結材７２上に搭載されるので、当て金本体７１と同期して移動し、溶接トーチ６１で溶接を行っている間、当て金本体７１に対して冷却水の供給及び循環を継続して行う。
【００３２】
押圧体７４は、一対の当て金本体７１の間に設けられ、各々の当て金本体７１をフランジ２４に押し付ける役割を担うものであり、バネなどの弾性体を用いることができるし、油圧シリンダなどの押圧機構を用いることもできる。
押圧体７４を一対の当て金本体７１の間に設けることで、一つの押圧体７４により、２つの当て金本体７１をフランジ２４に押し付けることができる。
【００３３】
牽引装置７５は、制御部８０により回転速度が制御される牽引モータ７６で回転駆動される巻取りドラム７７を備えている。この巻取りドラム７７に一端が固定される牽引ワイヤ７８の他端を、前方に位置する連結材７２に固定し、巻取りドラム７７で牽引ワイヤ７８を巻き取ることで、当て金移動部７０を移動させる。
【００３４】
制御部８０は、溶接トーチ６１の溶接条件及び移動条件を制御する。また、制御部８０は、牽引モータ７６の回転速度を制御することで、当て金移動部７０の移動条件を制御する。そして、制御部８０は、溶接トーチ６１で溶接されている領域に当て金本体７１が位置するようにしながら、溶接トーチ６１と当て金本体７１が同期して移動するように制御する。
【００３５】
以上の第１の形態による溶接装置５０によると、以下の効果を奏する。
（１）長大な当て金本体を用いると、フランジ２４、デッキプレート１０に対して当て金本体７１を隙間なく当接させることが困難である。これに対して、溶接装置５０は、Ｕ字状リブ２０よりも十分に短尺の当て金本体７１を用い、溶接トーチ６１と同期して移動させるので、当て金本体７１を隙間なくフランジ２４、デッキプレート１０に押し当てることができる。したがって、所望する形状の裏波ビードを安定して得ることができる。特に、押圧体７４により当て金本体７１をフランジ２４に向けて押し付けることで、より安定して所望する形状の裏波ビードを得ることができる。
（２）Ｕ字状リブ２０に対して一対の溶接トーチ６１、一対の当て金本体７１を配設して、両側を同時に溶接できるようにしたので、鋼床版１００の生産効率を向上できる。
（３）Ｕ字状リブ２０の外部（溶接の終点側）に設けられる牽引装置７５により、当て金本体７１を牽引して移動させる構成としたので、Ｕ字状リブ２０内部が狭隘であっても、当て金本体７１を無理なく移動できる。
（４）冷却水循環ユニット７３を、当て金本体７１と近接し、かつ同期して移動できるようにしたので、当て金本体７１との間に必要な配管系統などの付帯部材、設備を最小限にできるとともに、冷却水循環ユニット７３を移動させるための機構を別途設ける必要がない。
【００３６】
＜第２の形態＞
第１の形態による溶接装置５０は当て金本体７１を牽引装置７５により移動させる形態としたが、本発明はこれに限定されず、当て金本体を自走式にすることもできる。その例を、図８を参照して説明する。なお、図７と同じ構成要素については図８に同じ符号を付すことで、以下では第２の形態の特徴部分を中心に説明する。
【００３７】
第２の形態による溶接装置１５０は、自走台車１６０を備える。
自走台車１６０は、一対の当て金本体７１の間に配置され、図示を省略するが、車輪駆動用のモータと、モータの動力源であるバッテリを備える。また、自走台車１６０は、モータの回転速度を制御する制御部１６３を備える。制御部１６３は、当て金本体７１に内蔵される光センサ７１ｃの光検出の状況に応じて、モータの回転速度を制御し、溶接トーチ６１との同期移動を実現する。
自走台車１６０は、永久磁石製の車輪１６５を備える。永久磁石製の車輪１６５を用いることで、自走台車１６０は、車輪１６５とデッキプレート１０の間の摩擦力に加えて磁力により駆動力が生まれるので、当て金本体７１の移動のための負荷が変動しても、スリップが抑制された安定した走行ができる。この効果は、車輪１６５を永久磁石から構成する以外に、自走台車１６０の下部に永久磁石を配設し、デッキプレート１０に対して発生する吸引力を利用しても得ることができる。
【００３８】
第２の形態による溶接装置１５０は、当て金本体７１内に光センサ７１ｃを設けている。光センサ７１ｃで所定値以上の光を検出すると、自走台車１６０の制御部１６３にそのことが通知される。当て金本体７１は、外部の光が光センサ７１ｃに到達できるように、光取り込み孔７１ｄを形成している。光センサ７１ｃ、光取り込み孔７１ｄは、各当て金本体７１に設けられので、自走台車１６０はその前後方向及び幅方向に間隔を空けて光センサ７１ｃを備えることになる。
光センサ７１ｃを用いた溶接トーチ６１と自走台車１６０の同期移動は、例えば以下のように実現される。
溶接トーチ６１を前後の光センサ７１ｃの間に配置されるようにして自走台車１６０の移動、溶接トーチ６１による溶接を開始させる。
その際の自走台車１６０の移動速度は、溶接速度に一致させる。
自走台車１６０はデッキプレート１０上をスリップすることがある。そうすると、溶接の進行にともなって、溶接トーチ６１との間に位置ずれが生じる。この場合、自走台車１６０の前方に配置される光センサ７１ｃが溶接による光を検出する。この検出の結果は、自走台車１６０の制御部１６３に送られる。
制御部１６３は、モータの回転速度を制御し、自走台車１６０の移動速度を所定比率(例えば１０％)だけ速くする。なお、この比率はあらかじめ自走台車１６０の動き（追従性）を確認して設定すればよい。移動速度を遅くする場合も同様である。
そうして、しばらくすると前方に配置した光センサ７１ｃが光を検出しなくなる。その時点で、制御部１６３は、自走台車１６０の速度を初期値に戻す。
以上の速度調整を繰り返すことで、自走台車１６０が溶接トーチ６１よりも遅れて移動することを回避する。
【００３９】
自走台車１６０は、溶接トーチ６１よりも先に進むことも想定される。この場合は、以下のようにその移動速度が制御される。
この場合、自走台車１６０の後方に配置される光センサ７１ｃが溶接による光を検出する。この検出の結果は、自走台車１６０の制御部１６３に送られる。
制御部１６３は、モータの回転速度を制御し、自走台車１６０の移動速度を所定比率(例えば１０％)だけ遅くする。
そうして、しばらくすると後方に配置した光センサ７１ｃが光を検出しなくなる。その時点で、制御部１６３は、自走台車１６０の速度を初期値に戻す。
以上の速度調整を繰り返すことで、自走台車１６０が溶接トーチ６１よりも進んで移動することを回避する。
以上のようにして、溶接装置１５０は、当て金本体７１が溶接トーチ６１と同期して移動するのを担保することができる。
なお、光センサ７１ｃを用いて当て金本体７１が溶接トーチ６１と同期して移動することを担保する手法は、牽引装置を用いて当て金を移動させる第１の形態にも適用できる。
【００４０】
自走台車１６０は、２台のカメラ１６６、１６７を備えている。カメラ１６６、１６７は、各々、当て金本体７１を当てながら溶接することで形成された裏波ビードａ，ｂを撮影する。なお、裏波ビードａはカメラ１６６により撮影され、裏波ビードｂはカメラ１６７により撮影されるものとする。撮影された裏波ビードａ，ｂは、モニタ１６８に映し出される。溶接に関わる作業者は、モニタ１６８に映し出される裏波ビードａ，ｂを監視することで、溶接とほぼ同時に裏波ビードａ，ｂの形状を確認することができるので、溶接検査の効率を図ることができる。
なお、このカメラにより裏波ビードを撮影する手法は、牽引装置を用いて当て金を移動させる第１の形態にも適用できる。
【００４１】
以上、本発明の溶接装置の実施の形態を説明したが、これはあくまで一例であり、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１…当て金
３…第１当接面
５…第２当接面
１０…デッキプレート１０
２０…Ｕ字状リブ、２１，２２…すみ肉溶接部、２３…ウェブ、２４…フランジ、２５…レ形開先
５０，１５０…溶接装置
６０…溶接部、６１…溶接トーチ
７０…当て金移動部、７１…当て金本体、７１ｃ…光センサ
７３…冷却水循環ユニット
７４…押圧体
７５…牽引装置
８０，１６３…制御部
１６０…自走台車
１００…鋼床版
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の鋼板と縦板の突合せ部を溶接する方法であって、
前記縦板の前記鋼板に当接する縁部を前記縦板の一方の側から溶接することで、前記縁部を貫通して前記縦板の他方の側に達する裏波ビードを形成し、
前記縦板の他方の側であって、前記縦板の一方の側から溶接している領域に対応する領域に、前記裏波ビードに対応する領域が面取りされている当て金を鋼板と縦板に当接するように配置しながら溶接を行う、
ことを特徴とするすみ肉溶接方法。
【請求項２】
溶接が行われる長さより短い当て金を溶接に同期して移動させながら溶接を行う、
請求項１に記載のすみ肉溶接方法。
【請求項３】
複数の突合せ部が存在する場合に、各突合せ部ごとに前記当て金を配置し、複数の前記突合せ部を同時に溶接する、
請求項１又は２に記載のすみ肉溶接方法。
【請求項４】
平板状の鋼板と縦板の突合せ部を、前記縦板の前記鋼板に当接する縁部を前記縦板の一方の側から溶接することで、前記縁部を貫通して前記縦板の他方の側に裏波ビードを形成しながら溶接する装置であって、
前記一方の側に配置されるとともに、溶接線の方向に移動可能とされている溶接トーチと、
前記縦板の他方の側であって、前記縦板の一方の側から溶接している領域に対応する領域に配置され、前記裏波ビードに対応する領域が面取りされている当て金と、
前記当て金を前記縦板に押し当てる押当て機構と、
を備えることを特徴とするすみ肉溶接装置。
【請求項５】
前記溶接トーチの移動に同期して前記当て金を移動させる移動機構を備える、
請求項４に記載のすみ肉溶接装置。
【請求項６】
前記当て金に近接して配置されるとともに、前記当て金と同期して移動する、前記当て金を冷却する冷却機構を備える、
請求項４又は５に記載のすみ肉溶接装置。
【請求項１】
平板状の鋼板と縦板の突合せ部を溶接する方法であって、
前記縦板の前記鋼板に当接する縁部を前記縦板の一方の側から溶接することで、前記縁部を貫通して前記縦板の他方の側に達する裏波ビードを形成し、
前記縦板の他方の側であって、前記縦板の一方の側から溶接している領域に対応する領域に、前記裏波ビードに対応する領域が面取りされている当て金を鋼板と縦板に当接するように配置しながら溶接を行う、
ことを特徴とするすみ肉溶接方法。
【請求項２】
溶接が行われる長さより短い当て金を溶接に同期して移動させながら溶接を行う、
請求項１に記載のすみ肉溶接方法。
【請求項３】
複数の突合せ部が存在する場合に、各突合せ部ごとに前記当て金を配置し、複数の前記突合せ部を同時に溶接する、
請求項１又は２に記載のすみ肉溶接方法。
【請求項４】
平板状の鋼板と縦板の突合せ部を、前記縦板の前記鋼板に当接する縁部を前記縦板の一方の側から溶接することで、前記縁部を貫通して前記縦板の他方の側に裏波ビードを形成しながら溶接する装置であって、
前記一方の側に配置されるとともに、溶接線の方向に移動可能とされている溶接トーチと、
前記縦板の他方の側であって、前記縦板の一方の側から溶接している領域に対応する領域に配置され、前記裏波ビードに対応する領域が面取りされている当て金と、
前記当て金を前記縦板に押し当てる押当て機構と、
を備えることを特徴とするすみ肉溶接装置。
【請求項５】
前記溶接トーチの移動に同期して前記当て金を移動させる移動機構を備える、
請求項４に記載のすみ肉溶接装置。
【請求項６】
前記当て金に近接して配置されるとともに、前記当て金と同期して移動する、前記当て金を冷却する冷却機構を備える、
請求項４又は５に記載のすみ肉溶接装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−３０２５２（Ｐ２０１２−３０２５２Ａ）
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７１８２４（Ｐ２０１０−１７１８２４）
【出願日】平成２２年７月３０日（２０１０．７．３０）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【出願人】（５０６１２２２４６）三菱重工鉄構エンジニアリング株式会社 (111)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月３０日（２０１０．７．３０）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【出願人】（５０６１２２２４６）三菱重工鉄構エンジニアリング株式会社 (111)
【Ｆターム（参考）】
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