特許 7339511 溶接継手およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-29

(45)【発行日】2023-09-06

(54)【発明の名称】溶接継手およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 33/00 20060101AFI20230830BHJP

   B23K 9/02 20060101ALI20230830BHJP

   B23K 31/00 20060101ALI20230830BHJP

   B23K 37/06 20060101ALI20230830BHJP

   C21D 7/06 20060101ALI20230830BHJP

【ＦＩ】

B23K33/00 Z

B23K9/02 S

B23K9/02 Y

B23K31/00 C

B23K37/06 Z

C21D7/06 Z

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2019147268

(22)【出願日】2019-08-09

(65)【公開番号】P2021028070

(43)【公開日】2021-02-25

【審査請求日】2022-04-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100187702

【弁理士】

【氏名又は名称】福地 律生

(74)【代理人】

【識別番号】100162204

【弁理士】

【氏名又は名称】齋藤 学

(74)【代理人】

【識別番号】100160543

【弁理士】

【氏名又は名称】河野上 正晴

(72)【発明者】

【氏名】島貫 広志

【審査官】山内 隆平

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－０３９１６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０３４６９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２２９１８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１７１６４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ３３／００

Ｂ２３Ｋ ９／００－９／３２

Ｂ２３Ｋ ３１／００

Ｂ２３Ｋ ３７／０６

Ｃ２１Ｄ ７／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１金属板と、
表面及び裏面を有し、端部において前記裏面側に張り出した張り出し部を有する第２金属板と、
前記第１金属板の表面と、前記第２金属板の前記張り出し部を含む端面との間に形成された開先と、
前記開先のルート側に配置され、かつ、前記張り出し部の先端と前記第１金属板との間に配置された入れ金と、
前記開先に充填されている溶接金属と、
を備える、溶接継手。

【請求項2】

前記入れ金、前記第１金属板及び前記溶接金属の境界線の交点を第１の三重点とし、
前記入れ金、前記第２金属板及び前記溶接金属の境界線の交点を第２の三重点とし、
前記第１の三重点から前記第２金属板の張り出し部の根元までの距離の、前記第２金属板の材軸方向に平行な成分をＸ１とし、
前記第２の三重点から前記第２金属板の張り出し部の根元までの距離の、前記第２金属板の材軸方向に平行な成分をＸ２とし、
前記第２金属板の前記裏面と、前記第１の三重点を含む前記裏面に平行な面と、の距離をＹ１とし、
前記第２金属板の前記裏面と、前記第２の三重点を含む前記裏面に平行な面と、の距離をＹ２とするとき、
下記式１：
Y1/X1-(Y2/X2)/4≧0.34 かつ Y2/X2-(Y1/X1)/3≧0.25 （１）
を満たす、請求項１に記載の溶接継手。

【請求項3】

前記第２金属板の前記表面側の溶接トウ部に、深さが０．１ｍｍ以上かつ０．５ｍｍ以下であり、幅が１．５ｍｍ以上の溝状のピーニング処理部を有する、
請求項１または２に記載の溶接継手。

【請求項4】

１つの前記入れ金は、溶接部の長手方向に垂直な断面において、前記第２金属板の板厚方向における一方側が相対的に細く、他方側が相対的に太く、相対的に細い方が前記第２金属板の裏面側に配置される、
請求項１～３のいずれか１項に記載の溶接継手。

【請求項5】

前記入れ金の側面と前記張り出し部とが溶接されず、スリットが形成される、
請求項１～４のいずれか１項に記載の溶接継手。

【請求項6】

表面及び裏面を有し且つ端部において前記裏面側に張り出した張り出し部を有する第２金属板を、第１金属板の表面と前記第２金属板の前記張り出し部を含む端面との間に開先が形成されるように前記第１金属板と突合せる突き合わせ工程と、
前記開先のルート側、かつ、前記張り出し部の先端と前記第１金属板との間に入れ金を配置する配置工程と、
前記開先に溶接金属を充填する溶接工程と、
を備える溶接継手の製造方法。

【請求項7】

前記入れ金、前記第１金属板及び前記溶接金属の境界線の交点を第１の三重点とし、
前記入れ金、前記第２金属板及び前記溶接金属の境界線の交点を第２の三重点とし、
前記第１の三重点から前記第２金属板の張り出し部の根元までの距離の、前記第２金属板の材軸方向に平行な成分をＸ１とし、
前記第２の三重点から前記第２金属板の張り出し部の根元までの距離の、前記第２金属板の材軸方向に平行な成分をＸ２とし、
前記第２金属板の前記裏面と、前記第１の三重点を含む前記裏面に平行な面と、の距離をＹ１、
前記第２金属板の前記裏面と、前記第２の三重点を含む前記裏面に平行な面と、の距離をＹ２とするとき、
下記式１：
Y1/X1-(Y2/X2)/4≧0.34 かつ Y2/X2-(Y1/X1)/3≧0.25 （１）
を満たす、請求項６に記載の溶接継手の製造方法。

【請求項8】

前記溶接工程の後、前記第２金属板の表面側の溶接トウ部に、深さが０．１ｍｍ以上かつ０．５ｍｍ以下であり、幅が１．５ｍｍ以上の溝状のピーニング処理部を形成する、
請求項６又は７に記載の溶接継手の製造方法。

【請求項9】

前記入れ金は、溶接部の長手方向に垂直な断面において、前記第２金属板の板厚方向における一方側が相対的に細く、他方側が相対的に太く、相対的に細い方が前記第２金属板の裏面側に配置される、
請求項６～８のいずれか１項に記載の溶接継手の製造方法。

【請求項10】

前記入れ金の側面と前記張り出し部とが溶接されず、スリットが形成される、
請求項６～９のいずれか１項に記載の溶接継手の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、溶接継手およびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

突き合わせられた２枚の金属板の片面側（表面側）から突合せ溶接する場合、金属板（主板）の裏面に裏当て金を予め取り付けて溶接することが一般的である。裏当て金を用いて片面溶接を行う場合、応力集中部となる溶接ルート部の裏当て金と主板との間のスリットの先端部位に溶接を施している。しかし、輸送管や建築鉄骨の柱などの様に人が内側に入ることのできない中空部材や容器などでは、溶接施工や疲労き裂発生防止対策を金属板の裏面側（内側）から施すことができない。

【0003】

そこで、例えば下記特許文献１から特許文献４には、突き合わせられる鋼板や鋼管の端部に曲げ加工を施すことで鋼板や鋼管の面外に張り出した開先を形成し、突き合わせ溶接する方法が開示されている。また、下記特許文献５および特許文献６には、開先の一部を鋼板の面外に張り出した形状に成型して溶接する方法が開示されている。これらの技術によれば、主板から裏面側に滑らかに張り出す形で裏当て金となる張り出し部が形成されるため、裏面から溶接を施す必要はない。ところで、特許文献７には縦板を曲げて平板に垂直に突き合せ、隅肉溶接する方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平０９－１６４４９６号公報

【文献】特開２００９－７４０号公報

【文献】特開平１１－１０３８３号公報

【文献】特開昭５９－９２１６７号公報

【文献】特開２００９－３４６９６号公報

【文献】特開昭５９－７０４６６号公報

【文献】特開２０１０－２２１２３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、上記特許文献１から特許文献６に記載の技術では、張り出し部の寸法を加味して突き合わせられる鋼板同士の間隔を精密に制御する必要がある。例えば、突き合わせられる鋼板同士の間隔が大きすぎればアークがルート側から抜けてしまうために溶接が難しくなり、当該間隔を小さくしようして鋼板同士を近付け過ぎると互いの張り出し部が邪魔になり、所定の場所に溶接継手を収めることができない場合がある。特許文献７のようなＬ字状の溶接継手や、その他Ｔ字継手、十字継手も同様な問題が生じる場合がある。

【0006】

そこで、本発明は、片面突合せ溶接を行う際に突き合わせられる金属板同士の間隔の施工誤差による溶接施工への影響が軽減され得る溶接継手およびその製造方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、下記の溶接継手およびその製造方法を要旨とする。

【0008】

（１）第１金属板と、
表面及び裏面を有し、端部において前記裏面側に張り出した張り出し部を有する第２金属板と、
前記第１金属板の表面と、前記第２金属板の前記張り出し部を含む端面との間に形成された開先と、
前記開先のルート側に配置された入れ金と、
前記開先に充填されている溶接金属と、
を備える、溶接継手。
（２）前記入れ金、前記第１金属板及び前記溶接金属の境界線の交点を第１の三重点とし、
前記入れ金、前記第２金属板及び前記溶接金属の境界線の交点を第２の三重点とし、
前記第１の三重点から前記第２金属板の張り出し部の根元までの距離の、前記第２金属板の材軸方向に平行な成分をＸ１とし、
前記第２の三重点から前記第２金属板の張り出し部の根元までの距離の、前記第２金属板の材軸方向に平行な成分をＸ２とし、
前記第２金属板の前記裏面と、前記第１の三重点を含む前記裏面に平行な面と、の距離をＹ１とし、
前記第２金属板の前記裏面と、前記第２の三重点を含む前記裏面に平行な面と、の距離をＹ２とするとき、
下記式１：
Y1/X1-(Y2/X2)/4≧0.34 かつ Y2/X2-(Y1/X1)/3≧0.25 （１）
を満たす、上記（１）に記載の溶接継手。
（３）前記第２金属板の前記表面側の溶接トウ部に、深さが０．１ｍｍ以上かつ０．５ｍｍ以下であり、幅が１．５ｍｍ以上の溝状のピーニング処理部を有する、上記（１）または（２）に記載の溶接継手。
（４）表面及び裏面を有し且つ端部において前記裏面側に張り出した張り出し部を有する第２金属板を、第１金属板の表面と前記第２金属板の前記張り出し部を含む端面との間に開先が形成されるように前記第１金属板と突合せる突き合わせ工程と、
前記開先のルート側に入れ金を配置する配置工程と、
前記開先に溶接金属を充填する溶接工程と、
を備える溶接継手の製造方法。
（５）前記入れ金、前記第１金属板及び前記溶接金属の境界線の交点を第１の三重点とし、
前記入れ金、前記第２金属板及び前記溶接金属の境界線の交点を第２の三重点とし、
前記第１の三重点から前記第２金属板の張り出し部の根元までの距離の、前記第２金属板の材軸方向に平行な成分をＸ１とし、
前記第２の三重点から前記第２金属板の張り出し部の根元までの距離の、前記第２金属板の材軸方向に平行な成分をＸ２とし、
前記第２金属板の前記裏面と、前記第１の三重点を含む前記裏面に平行な面と、の距離をＹ１、
前記第２金属板の前記裏面と、前記第２の三重点を含む前記裏面に平行な面と、の距離をＹ２とするとき、
下記式１：
Y1/X1-(Y2/X2)/4≧0.34 かつ Y2/X2-(Y1/X1)/3≧0.25 （１）
を満たす、上記（４）に記載の溶接継手の製造方法。
（６）前記溶接工程の後、前記第２金属板の表面側の溶接トウ部に、深さが０．１ｍｍ以上かつ０．５ｍｍ以下であり、幅が１．５ｍｍ以上の溝状のピーニング処理部を形成する、上記（４）又は（５）に記載の溶接継手の製造方法。

【発明の効果】

【0009】

本発明によって、片面突合せ溶接を行う際に突き合わせられる金属板同士の間隔の施工誤差による溶接施工への影響が軽減され得る溶接継手およびその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本発明の実施形態に係る溶接継手を模式的に示す側面図である。

【図2】図２は、本発明の実施形態に係る溶接継手の溶接部の詳細を示す側面図である。

【図3】図３は、張り出し部の形成方法の一例を模式的に示す側面図である。

【図4】図４は、裏当て金を用いた場合のルート未溶着部の発生応力を示した図である。

【図5】図５は、図４で解析した従来の裏当て金を用いた場合の溶接継手を模式的に示す側面図である。

【図6】図６は、公称応力と第１の三重点の材軸方向応力との関係を示した図である。

【図7】図７は、公称応力と第２の三重点の材軸方向応力との関係を示した図である。

【図8】図８は、判定指標Ｗおよび判定指標Ｂと三重点の応力集中倍率との関係を示した図である。

【図9】図９は、本発明の実施形態に係る溶接継手の第２金属板に引張荷重を加えたときの、第１金属板及び第２金属板の応力分布を模式的に示す側面図である。

【図10】図１０は、図９の溶接継手の溶接ルート部付近の応力の流線を模式的に示す側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態に係る溶接継手およびその製造方法について説明する。

【0012】

（溶接継手）
本実施形態に係る溶接継手は、第１金属板と、表面及び裏面を有し、端部において前記裏面側に張り出した張り出し部を有する第２金属板と、前記第１金属板の表面と前記第２金属板の前記張り出し部を含む端面との間に形成された開先と、前記開先のルート側に配置された入れ金と、前記開先に充填されている溶接金属と、を備える。

【0013】

図１は、本発明の実施形態に係る溶接継手を模式的に示す側面図である。図１に示す溶接継手１００は、第１金属板１、第２金属板２、溶接金属部３および入れ金５を主な構成として備えている。

【0014】

第１金属板１および第２金属板２は、それぞれが表面及び裏面を有し、第１金属板１の表面と第２金属板２の端部とで溶接可能な材料であれば特に限定されないが、例えば板状または管状である。本願において、第１金属板１の表面及び裏面は特に区別されない。第２金属板２は、第１金属板１の表面に開先を有するように突き合わせられ、突き合わせられる側の端部において第２金属板２の裏面側に張り出した張り出し部４を有する。図１において、第２金属板２が溶接金属部３と接する部分が張り出し部４の端部である。第１金属板１および第２金属板２は、第１金属板の表面と第２金属板の張り出し部を含む端面との間に開先を有する。

【0015】

第２金属板２は、張り出し部４を除く部位において所定の厚さを有する。第１金属板１および第２金属板２の厚さは特に限定されないが、例えば３～２００ｍｍの厚みを有してもよい。図１および図２では、第１金属板１および第２金属板２の厚さが同一である例を示しているが、第１金属板１および第２金属板２の厚さは互いに異なっていてもよい。

【0016】

図１および図２では、第１金属板１と第２金属板２とが垂直に配置される例を示しているが、第１金属板１の表面に第２金属板２の張り出し部４の端面が突き合わされるように、互いに非平行に配置されていればよい。第１金属板１および第２金属板２の材料は特に限定されないが、それぞれ、例えば、鋼、アルミニウム、ステンレス等からなる。

【0017】

本実施形態の溶接継手によれば、第１金属板１の表面と第２金属板２の張り出し部４の端部とを突き合せる際に、開先の寸法に関して施工誤差があったとしても溶接施工への影響が軽減され得る。そのため、開先の寸法は特に限定されるものではないが、例えば、第１金属板１または第２金属板２の板厚の１～１００％としてもよい。開先の寸法は、第２金属板２の材軸方向に平行な方向において最も短い長さである。

【0018】

溶接金属部３は、上記のように突き合わせられる第１金属板１の表面および第２金属板２の端面によって形成される開先に充填された溶接金属からなる。

【0019】

入れ金５は、開先のルート側に配置される。入れ金５が開先内のルート側に配置されることにより、溶接の際に溶接金属がルート側から漏れ出ることを抑制することができる。

【0020】

入れ金５を構成する材料は、張り出し部４を含む第１金属板１および第２金属板２と溶接によって接合される材料であれば特に限定されないが、例えば鋼、アルミニウム、ステンレス等であることができ、好ましくは、第１金属板１及び第２金属板２と同種の材料である。

【0021】

入れ金５の形状は、溶接の際に溶接金属がルート側から漏れ出さないように開先内のルート側に配置可能であれば、特に限定されるものではなく、図１に示すように楔形状若しくは逆三角形の断面形状、または逆台形、四角形、菱形、円形、楕円形等の断面形状を有することができる。本願において、断面とは、第２金属板２の材軸方向及び板厚方向に平行に、溶接継手の中心軸を通るように切断した面をいう。

【0022】

入れ金５の寸法は、溶接の際に溶接金属がルート側から漏れ出さないように第１金属板１の表面と第２金属板２の張り出し部４との間に配置可能であれば、特に限定されるものではないが、入れ金５の第２金属板２の材軸方向に平行な方向の最大長さは、好ましくは、第２金属板２の板厚の５～５０％であり、第２金属板２の板厚方向に平行な方向の最大長さが、好ましくは、第２金属板２の板厚の１２～１２５％である。

【0023】

入れ金５は、入れ金５の断面形状において細い部分が第２金属板２の裏面側に配置されるように、開先内に配置され得る。

【0024】

入れ金５は、好ましくは楔形状または略逆台形の断面形状を有する。図１では、入れ金５の細い側の先端が尖っているが、入れ金５の先端は必ずしも尖っている必要はなく、入れ金５の断面形状は略逆台形でもよい。入れ金５が、楔形状または略逆台形の断面形状を有する場合、入れ金５が、開先の形状、すなわち第１金属板１の表面と第２金属板２の張り出し部４との隙間の形状に整合しやすく、開先を効率的に埋めて固定され得る。

【0025】

図１では、入れ金５の太い側の端面が第２金属板２の表面と平行になっているが、入れ金５の太い側の端面は、第１金属板１および第２金属板２の表面と非平行でもよく、曲面等となっていてもよい。

【0026】

溶接の際に溶接金属がルート側から漏れ出さない程度の隙間が、開先内における入れ金５の側面と第１金属板１および第２金属板２との間に形成されていてもよい。後述する三重点よりも第２金属板２の裏面側において、入れ金５の側面と張り出し部４とが溶接されず、隙間（スリット）が形成されてもよい。

【0027】

入れ金５は、好ましくは、入れ金５の側面が第１金属板１の表面及び第２金属板２の開先角度のうち少なくとも一方と実質的に同等の角度を有する。入れ金５は、より好ましくは、入れ金５の側面が第１金属板１の表面及び第２金属板２の開先角度と実質的に同等の角度を持ち、入れ金５が、第１金属板１の表面と第２金属板２の開先との間に隙間なく配置される形状を有する。入れ金５が、前記好ましい形状を有することにより、入れ金５は、開先をより良好に埋めて固定され得る。

【0028】

入れ金５は、溶接方向において一体物である必要はない。入れ金５は、開先のルート側から溶接アークが吹き抜けない程度に開先内に詰め込むことができれば、溶接方向に分割されていてもよい。施工誤差によってルート部の開口量（第１金属板１および第２金属板２の間隔）が位置によって異なる場合、寸法が互いに異なる入れ金５を複数用意し、それらを開先内に配置することによって、溶接金属部３の全ての部位において溶接金属の十分な溶け込み深さを確保し得る。

【0029】

好ましくは、本実施形態の溶接継手は、前記入れ金、前記第１金属板及び前記溶接金属の境界線の交点を第１の三重点とし、前記入れ金、前記第２金属板及び前記溶接金属の境界線の交点を第２の三重点とし、前記第１の三重点から前記第２金属板の張り出し部の根元までの距離の、前記第２金属板の材軸方向に平行な成分をＸ１とし、前記第２の三重点から前記第２金属板の張り出し部の根元までの距離の、前記第２金属板の材軸方向に平行な成分をＸ２とし、前記第２金属板の前記裏面と、前記第１の三重点を含む前記裏面に平行な面と、の距離をＹ１とし、前記第２金属板の前記裏面と、前記第２の三重点を含む前記裏面に平行な面と、の距離をＹ２とするとき、
下記式１：
Y1/X1-(Y2/X2)/4≧0.34 かつ Y2/X2-(Y1/X1)/3≧0.25 （１）
を満たす。

【0030】

次に、本実施形態の溶接継手の溶接部の寸法について説明する。

【0031】

図２は、本実施形態の溶接継手の溶接部を示す側面模式図である。図２には、本実施形態における溶接継手の溶接部の各部の寸法を示している。

【0032】

図２において、Ｐ１は、第１金属板１、溶接金属部３および入れ金５の交点である三重点である。Ｐ２は、第２金属板２、溶接金属部３および入れ金５の交点である三重点である。

【0033】

Ｘ１は、三重点Ｐ１から張り出し部４の根元Ｐ３までの、第２金属板２の材軸方向距離である。Ｘ２は、三重点Ｐ２から張り出し部４の根元Ｐ３までの、第２金属板２の材軸方向距離である。張り出し部４の根元とは、金属板裏面における屈曲開始位置をいう。

【0034】

θは、溶接前における第２金属板２の開先（図２中の破線）の、第１金属板１の表面（図２中の破線）に対する鋭角の角度である。

【0035】

Ｙ１は、第２金属板２の裏面と、三重点Ｐ１を含む第２金属板２の裏面に平行な面と、の距離である。Ｙ２は、第２金属板２の裏面と、三重点Ｐ２を含む第２金属板２の裏面に平行な面と、の距離である。すなわち、Ｙ１およびＹ２は、溶接金属の溶け込み深さである。

【0036】

三重点近傍Ｐ１、Ｐ２近傍においては、応力集中しやすく、疲労亀裂、延性亀裂、または脆性亀裂が発生しやすい。疲労亀裂、延性亀裂、または脆性亀裂の発生を抑制するために、三重点への応力流入を小さくすることが必要である。

【0037】

三重点への応力流入を小さくするためには、溶接金属部３において溶接金属の溶け込みをルート側で可能な限り深くすることが好ましい。溶接金属の溶け込みが深いほど、三重点がルート側で深くなり応力が三重点に流れにくくなる（回り込みにくくなる）。

【0038】

溶接金属の溶け込みがルート側で可能な限り深くなるように、溶接金属の溶け込み深さＹ１及びＹ２を、入れ金５の挿入深さでコントロールすることが好ましい。入れ金５の挿入深さをコントロールしやすくする観点から、溶接の開先角度θは１５°以上が好ましい。また、下記に説明する寸法Ｘ１及びＸ２を小さくするために、溶接の開先角度θは４５°以下であることが好ましく、３０°以下であることがより好ましい。

【0039】

三重点への応力流入を小さくするために、張り出し部４の肉厚は必要最小限に薄くすることが好ましい。すなわち、寸法Ｘ１及びＸ２はできるだけ小さいことが好ましい。寸法Ｘ１及びＸ２が小さいほど、三重点に応力が流れにくくなる。ただし、寸法Ｘ１及びＸ２は、溶接によって溶け落ちない程度の厚みを確保されることが好ましい。

【0040】

上記のように、三重点への応力流入を小さくするためには、溶接金属の溶け込み深さＹ１及びＹ２は大きいほど好ましく、寸法Ｘ１及びＸ２は小さいほど好ましい。

【0041】

図９に、本発明の実施形態に係る溶接継手の第２金属板に引張荷重を加えたときの、第１金属板及び第２金属板の応力分布を模式的に示す側面図を示す。図１０に、図９の溶接継手の溶接ルート部付近の応力の流線を模式的に示す側面図を示す。

【0042】

図１０（ａ）を基準として、図１０（ｂ）は三重点Ｐ１を金属板の表面側に移動させた場合を示し、図１０（ｃ）は、三重点Ｐ２を第２金属板の表面側に移動させた場合を示す。

【0043】

図１０（ｂ）においては、Ｐ１側の応力の流線がＰ１付近で密になり応力集中が高まっている。図１０（ｃ）においては、Ｐ２付近の応力の流線が密になっている。このことが、式１の第１項目の二次的な効果と関連する。

【0044】

また、図１０（ｂ）では、Ｐ１側に応力が流れることでＰ２側の応力の流線が粗になり、Ｐ２の位置が第２金属板の裏面側にあるほどＰ２側の応力の流線が粗になり、多くの流線がＰ１側に向かう。図１０（ｃ）では、Ｐ２側に応力が流れることでこの陰になるＰ１側では応力の流線が粗になり、Ｐ１の位置が第２金属板の裏面側にあるほどＰ２の陰に隠れる形となり、Ｐ２側の応力の流線が密になる。このことが、式１の第２項目の二次的な効果と関連する。

【0045】

Ｙ１、Ｙ２、Ｘ１、及びＸ２の寸法を変更しながら、公称応力に対する三重点の材軸方向応力を有限要素法(ＦＥＭ）を用いて解析し、公称応力に対する三重点における応力の倍率を三重点応力倍率として算出することができる。Ｙ１、Ｙ２、Ｘ１、及びＸ２の寸法を変更したときの三重点応力倍率１～２の範囲に対して、Ｙで正規化したＹ１／Ｘ１及びＹ２／Ｘ２をパラメーターとして変化する関数Ｗ及び関数Ｂを求めることができる。

【0046】

関数Ｗ及び関数Ｂは、三重点のスリットの先端（亀裂先端）に流入する応力と関連する比率Ｙ１／Ｘ１と比率Ｙ２／Ｘ２とをパラメーターとする関数であり、下記式１:
Y1/X1-(Y2/X2)/4≧0.34 かつ Y2/X2-(Y1/X1)/3≧0.25 （１）
を満たすことが好ましいことを知見した。

【0047】

上記式を満たすようにＹ１、Ｙ２、Ｘ１、及びＸ２を調整して溶接継手１００が形成されることにより、三重点Ｐ１、Ｐ２近傍への応力流入を小さくすることができ、三重点Ｐ１、Ｐ２近傍での疲労亀裂、延性亀裂、及び脆性亀裂の発生を抑制することができる。すなわち、溶接継手１００の疲労強度及び破壊強度が高められ得る。Ｙ１、Ｙ２、Ｘ１、及びＸ２は、下記式２:
Y1/X1-(Y2/X2)/4＞0.40 かつ Y2/X2-(Y1/X1)/3＞0.35 （２）
を満たすことがより好ましい。

【0048】

上記式１及び上記式２は、Ｙ１、Ｙ２、Ｘ１、及びＸ２の寸法と、公称応力に対する三重点の材軸方向応力との関係について行ったＦＥＭ解析結果に基づいて導出した。式１を満たす場合は、三重点応力倍率は２以下となる。式２を満たす場合は、三重点応力倍率が１以下となる。

【0049】

第１金属板１および第２金属板２の板厚については、溶接ルート部の応力分布にほとんど影響しないことから影響因子に含めない。

【0050】

開先角度θについては、三重点応力倍率が２を超える領域での関数Ｗ及び関数Ｂにより得られる値（以下、それぞれＷ値、Ｂ値、または判定指標Ｗ、判定指標Ｂとも言う）と三重点応力倍率との直線関係に対するばらつきに多少影響があるだけで、実際の溶接で用いられる開先角度の範囲では全体的な傾向に影響しないため、影響因子に含めない。

【0051】

溶接金属の溶け込み深さＹ１は、好ましくは第２金属板２の板厚の１０～３０％の深さである。Ｙ１が前記好ましい範囲にあることにより、溶接金属の体積を大きくしすぎずに施工することができる。

【0052】

溶接金属の溶け込み深さＹ２は、好ましくは第２金属板２の板厚の５～２０％の深さである。Ｙ２が前記好ましい範囲にあることにより、溶接金属の体積を大きくしすぎずに施工することができる。

【0053】

寸法Ｘ１は、好ましくは第２金属板２の板厚の１５～１００％である。寸法Ｘ１が前記好ましい範囲にあることにより、入れ金５が完全に溶け落ちず、張り出し部の寸法を確保することができる。

【0054】

寸法Ｘ２は、好ましくは第２金属板２の板厚の５～５０％である。寸法Ｘ２が前記好ましい範囲にあることにより、張り出し部４が溶け落ちずに溶接施工をすることができる。

【0055】

図１にはＴ字型継手の例を示したが、第１金属板１の上端が第２金属板２の表面の位置と同程度であるＬ字型溶接継手や、図１の第１金属板１の裏面、すなわち第２金属板２と反対側に第２金属板２と同様な溶接がなされている十字継手であってもよい。第１金属板１の裏面（反対側）においては、裏当て金を用いる方法またはＫ開先として溶接を行う方法で十字継手にしてもよい。

【0056】

好ましくは、本実施形態の溶接継手１００は、第２金属板２の表面側の溶接トウ部に、ピーニング処理部６を有する。ピーニング処理部６は、例えば、溶接金属部３の表面側の溶接トウ部にピーニング処理を施すことによって形成される。

【0057】

ピーニング処理部６は、好ましくは、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍの深さ及び１．５ｍｍ以上の幅を有する溝形状を有する。

【0058】

ピーニング処理部６に替えて、グラインダー等の研削工具によって溶接止端部の平坦化処理部が形成されてもよい。溶接金属部３の表面側止端部において、グラインダー等によって曲率加工を施して応力集中を低減させたり、ピーニング処理部６を形成して圧縮残留応力を導入したりすれば、溶接継手としてより良い疲労強度が得られる。

【0059】

第２金属板２の裏面側のＰ３で指す張り出し部の根元及びその近傍は応力集中部となりやすいため、好ましくは、グラインダー処理部またはピーニング処理部を有する。裏面側の張り出し部の根元及びその近傍へのグラインダー処理またはピーニング処理は、溶接前に行うことができる。

【0060】

Ｙ１、Ｙ２、Ｘ１、Ｘ２、及びθ、並びにピーニング処理部の寸法は、マクロ組織観察（ＪＩＳ Ｇ ０５５３：２００８）によって確認することができる。具体的には、溶接継手から試料を採取し、観察面を機械研磨、バフ研磨で鏡面に仕上げ、エッチングを施し、溶接金属と母材（熱影響部を含む）との境界を現出させて、肉眼または拡大鏡による観察を行う。三重点Ｐ１及び三重点Ｐ２は、それぞれ、第１金属板及び第２金属板と、入れ金とが溶融して一体化している部分（溶接された部分）と溶接されていない部分との境界であり、断面形状から特定することができる。したがって、必ずしも、マクロ組織観察を行って熱影響部（ＨＡＺ）や溶接金属の境界を特定する必要はない。

【0061】

（溶接継手の製造方法）
次に、本実施形態に係る溶接継手の製造方法について説明する。

【0062】

本実施形態に係る溶接継手の製造方法は、表面及び裏面を有し且つ端部において前記裏面側に張り出した張り出し部を有する第２金属板を、第１金属板の表面と前記第２金属板の前記張り出し部を含む端面との間に開先が形成されるように前記第１金属板と突合せる突き合わせ工程と、前記開先のルート側に入れ金を配置する配置工程と、前記開先に溶接金属を充填する溶接工程と、を備える。

【0063】

本実施形態の溶接継手の製造方法は、突き合わせ工程、配置工程、及び溶接工程を有する。以下、これらの工程について説明する。

【0064】

突き合わせ工程に先立って、まず、第２金属板２の突き合わせられる側の先端を裏面側に張り出させて張り出し部４を形成する。図３は、第２金属板の張り出し部４の形成方法の一例を示す側面模式図である。張り出し部４の形成方法としては、例えば、図３に示す様に、第２金属板２の開先の機械加工時に、第２金属板２の裏面側の一部を第２金属板２の裏面と平行に伸ばした形状の開先を作製し、この伸ばした部分を塑性変形させて裏面側に曲げる方法が考えられる。この様にして張り出し部４を形成する方法は、第２金属板２の全厚を曲げ加工する必要がないため、第２金属板２が極厚部材であっても適用し得る。

【0065】

また、張り出し部４の形成する他の方法として、張り出し部４となる金属板を第２金属板２の裏面側端部に溶接する方法も考えられる。

【0066】

突き合わせ工程においては、上記のように端部において裏面側に張り出した張り出し部４を有する第２金属板２を、第１金属板１の表面に、第１金属板１の表面と第２金属板２の張り出し部４を含む端面との間に開先が形成されるように突合わせる。

【0067】

配置工程においては、第１金属板１の表面と第２金属板２の張り出し部４を含む端面との間に形成された開先のルート側に入れ金５を配置する。好ましくは、第２金属板２の表面側から入れ金５を挿入し、開先のルート側に配置する。このようにして、溶接の際に溶接金属がルート側から漏れ出さないように、開先の少なくとも一部が入れ金５によって埋められる。入れ金５を配置することにより、開先の寸法、すなわち突き合わせられる第１金属板１の表面と第２金属板２張り出し部４を含む端面との間隔に多少の施工誤差があったとしても、溶接の際に溶接金属がルート側から漏れ出さないように開先の少なくとも一部を埋めることができる。

【0068】

上記のように入れ金５を配置した後、溶接工程において、第１金属板１の表面と第２金属板２の突き合わせられる側の端面とによって形成される開先に溶接金属を充填し、溶接金属部３を形成する。

【0069】

溶接金属部３は、第２金属板２の表面側から開先のルート側に配置された入れ金上に溶接材料を溶融させて溶接を行うことにより形成する。溶接方法は特に限定されず、例えば、アーク溶接を採用することができる。また、溶接金属は、第２金属板２の表面側と裏面側とにおいて、面外位置まで張り出すように盛り付けられることが好ましい。すなわち、溶接金属は、第２金属板２の表面を含む平面と第２金属板２の裏面を含む平面とで挟まれる領域の外側まで張り出すように盛り付けられることが好ましい。

【0070】

好ましくは、本実施形態の溶接継手の製造方法は、前記入れ金、前記第１金属板及び前記溶接金属の境界線の交点を第１の三重点とし、前記入れ金、前記第２金属板及び前記溶接金属の境界線の交点を第２の三重点とし、前記第１の三重点から前記第２金属板の張り出し部の根元までの距離の、前記第２金属板の材軸方向に平行な成分をＸ１とし、前記第２の三重点から前記第２金属板の張り出し部の根元までの距離の、前記第２金属板の材軸方向に平行な成分をＸ２とし、前記第２金属板の前記裏面と、前記第１の三重点を含む前記裏面に平行な面と、の距離をＹ１、前記第２金属板の前記裏面と、前記第２の三重点を含む前記裏面に平行な面と、の距離をＹ２とするとき、
下記式：
Y1/X1-(Y2/X2)/4≧0.34 かつ Y2/X2-(Y1/X1)/3≧0.25
を満たす。

【0071】

好ましくは、本実施形態の溶接継手の製造方法は、前記溶接工程の後、前記第２金属板の表面側の溶接トウ部に、深さが０．１ｍｍ以上かつ０．５ｍｍ以下であり、幅が１．５ｍｍ以上の溝状のピーニング処理部を形成することを含む。

【0072】

ピーニング処理工程は、溶接工程の後に上記ピーニング処理部６を形成する工程である。ピーニング処理工程は必須の工程ではない。また、ピーニング処理工程に替えて、上記のようにグラインダー等の研削工具によって溶接止端部に平坦化処理が施されてもよい。

【0073】

（本実施形態の効果）
本実施形態に係る溶接継手１００によれば、入れ金５が用いられることによって、片面突合せ溶接を行う際に突き合わせられる第１金属板１および第２金属板２の間隔の施工誤差による溶接施工への影響が軽減され得る。

【0074】

また、本実施形態に係る溶接継手１００の好ましい実施形態によれば、上記式１を満たす入れ金５及び張り出し部４を有する金属板を用いることによって、溶接金属の溶け込み不良欠陥がより抑制され、疲労強度や破壊強度がより高い溶接継手とされ得る。

【実施例】

【0075】

本発明の溶接継手における疲労亀裂や延脆性破壊に対する効果を検討するに当たり、様々な寸法の溶接継手についてＦＥＭ解析を行い三重点の応力を評価した。

【0076】

図４に、一般的に行われている裏当て金を用いたＴ字溶接継手の溶接ルート部の未溶着部先端の応力をＦＥＭ解析により算定した比較例の結果を示す。この解析例は、４５２ＭＰａの降伏応力を有する強度５９０ＭＰａ級の板厚が２０ｍｍの鋼材１１及び鋼材１２を用いた場合において、図５に示すように、鋼板１の表面に鋼板２の端部を突合わせて形成したレ形開先を裏当て金を用いて溶接接合したときの、端部を溶接した鋼板２の材軸方向に引張荷重を与えた場合の解析結果である。

【0077】

図４は、鋼板１、溶接金属部３および裏当て金の交点を三重点Ｐ１’とし、鋼板２、溶接金属部３および裏当て金の交点を三重点Ｐ２’として、公称応力と溶接ルートの未溶着部先端である三重点Ｐ１’、Ｐ２’の材軸方向応力との関係を示している。

【0078】

一般に溶接構造物の疲労設計で考慮する応力最大レベルである２００ＭＰａを公称応力として鋼板２の材軸方向に与えた場合、三重点Ｐ１’、Ｐ２’の材軸方向応力は、鋼板２に与えた公称応力の３倍から４倍を示し、極めて高い応力集中が起こっている。

【0079】

本発明の効果を確認するため、４５２ＭＰａの降伏応力を有する強度５９０ＭＰａ級の板厚が２０ｍｍの鋼材１及び鋼材２を用いた場合において、溶け込み深さＹ１、Ｙ２、張り出し部の根元からの第１の三重点Ｐ１、第２の三重点Ｐ２までの距離であるＸ１、Ｘ２をパラメーターとして変化させたときの部材公称応力と三重点Ｐ１、Ｐ２における溶接ルート先端の材軸方向応力との関係を、二次元平面ひずみ弾塑性ＦＥＭ解析により求めた。

【0080】

図６に、部材公称応力と第１の三重点Ｐ１における溶接ルート先端の材軸方向応力との関係を示す。図７に、部材公称応力と第２の三重点Ｐ２における溶接ルート先端の材軸方向応力との関係を示す。溶接ルート先端の材軸方向応力は、溶接ルート先端に最も近いＦＥＭの要素（未溶着部の先端の要素）の積分点（三重点に最も近い積分点）応力とした。

【0081】

図６及び図７中の記号は、評価した溶接継手の各部寸法を表しており、Ｍに続く数字２桁は、溶け込み深さＹ２のレベル（０４が浅く４４が深い）を示し、下２桁は、溶け込み深さＹ１のレベル（＋５が浅く２５が深い）を示している。

【0082】

表１に、上記記号、試験体各部の寸法、及び解析結果を示す。

【0083】

【表1】

【0084】

表１の上記解析結果とは、試験体各部の寸法に基づくＷ値及びＢ値と三重点応力倍率との関係である。以下に、三重点応力倍率の基準並びにＷ値及びＢ値の算出方法について説明する。

【0085】

局所的に塑性変形が開始すると応力が低下するので、最も厳しい公称応力２００ＭＰａの場合の結果から三重点応力倍率（三重点応力／公称応力）を求めた。図４に示した、従来の裏当て金を用いた場合の継手のルート部の応力は、公称応力の３～４倍程度を示していることから、これと比較し、応力集中が２．０以下になる条件が好ましいと考えた。また、たとえば日本鋼構造協会の鋼構造物の疲労設計指針において２００万回繰り返し負荷を許容する応力範囲は、溶接のない機械仕上げされた鋼板でも１９０ＭＰａである。したがって、継ぎ手の疲労設計では、鋼材強度によらず応力範囲が２００ＭＰａを超えるような設計は行わないのが一般的である。

【0086】

図６及び図７の解析結果は、４５２ＭＰａの降伏応力を有する強度５９０ＭＰａ級の鋼材についての結果であることから、公称応力２００ＭＰａの２倍で降伏応力よりやや低い４００ＭＰａ、すなわち三重点応力倍率が２以下を効果の目安として設定した。さらに望ましい条件として、三重点応力が公称応力の２００ＭＰａの１．５倍程度以下になる条件とした。

【0087】

この解析結果をもとに、三重点Ｐ１、Ｐ２の応力と公称応力との関係に及ぼす影響因子として、溶け込み深さＹ１、Ｙ２と寸法Ｘ１、Ｘ２との関係に着目して検討し、三重点Ｐ１の応力倍率が１．５～２．０の範囲において、Ｙ１、Ｙ２で正規化したＹ１／Ｘ１及びＹ２／Ｘ２をパラメーターとして簡単な式の形で変化する関数Ｗ：
Ｗ＝Ｙ１／Ｘ１－（Ｙ２／Ｘ２）／４
と、三重点Ｐ２の応力倍率が１．５～２．０の範囲において、Ｙ１、Ｙ２で正規化したＹ１／Ｘ１及びＹ２／Ｘ２をパラメーターとして簡単な式の形で変化する関数Ｂ：
Ｂ＝Ｙ２／Ｘ２-（Ｙ１／Ｘ１）／３
とを算出し、関数Ｗ及び関数Ｂで得られるＷ値及びＢ値（判定指標Ｗ及び判定指標Ｂ）によって、三重点Ｐ１、Ｐ２の応力レベルを判定できることを見出した。

【0088】

関数Ｗ及び関数Ｂは、溶接ルート部に未溶着部がある場合に、第２金属板２に作用している応力が未溶着部先端に集中しにくくなるための必要な形状条件を表す。この判定方法によれば、三重点Ｐ１の判定式として関数Ｗが用いられ、三重点Ｐ２の判定式として関数Ｂが用いられる。

【0089】

図８に示すように、Ｗ≧０．３４では三重点Ｐ１およびＰ２の公称応力に対する応力集中倍率は２．０以下となり、Ｗ≧０．４０では応力集中倍率は１．５以下となる。すなわち、関数Ｗは下記式：
Ｗ＝Ｙ１／Ｘ１－（Ｙ２／Ｘ２）／４≧０．３４（Ｗ≧０．４０がより望ましい。）
を満たす。Ｂ≧０．２５では、三重点Ｐ１およびＰ２の公称応力に対する応力集中倍率は２．０以下となり、Ｂ≧０．３５では応力集中倍率は１．５以下となる。すなわち、関数Ｂは下記式：
Ｂ＝Ｙ２／Ｘ２-（Ｙ１／Ｘ１）／３≧０．２５（Ｂ≧０．３５がより望ましい。）
を満たす。溶接ルート部の破壊は三重点Ｐ１、Ｐ２のいずれかから発生するため、関数Ｗ及び関数Ｂは、上記式の両方の条件を満足することが必要である。したがって、前述の疲労に有効な条件応力４００ＭＰａと破壊しない条件２００ＭＰａとして、下記式：
Ｙ１／Ｘ１－（Ｙ２／Ｘ２）／４≧０．３４、かつ
Ｙ２／Ｘ２－（Ｙ１／Ｘ１）／３≧０．２５
を満たすことが好ましい。

【0090】

より好ましくは、
Ｙ１／Ｘ１－（Ｙ２／Ｘ２）／４≧０．４０、かつ
Ｙ２／Ｘ２-（Ｙ１／Ｘ１）／３≧０．３５
を満たす。

【0091】

なお、第１金属板１および第２金属板２の板厚については、ほとんど影響しないことから影響因子に含めなかった。溶接開先の角度θについては、図８の三重点応力倍率が２．０を超える領域でのＷ値及びＢ値と三重点応力倍率との直線関係に対するバラつきに多少影響が見られただけで、実際の溶接で用いられる開先角度の範囲では全体的な傾向に影響しなかった。

【産業上の利用可能性】

【0092】

本発明によれば、各種鋼構造物の現場突合せ溶接など、ルートギャップの施工誤差が大きく、片面からしか溶接できない場合でも、疲労強度や破壊強度の高い片面突合せ溶接部を容易に施工できるようになる。

【符号の説明】

【0093】

１ 第１金属板
２ 第２金属板
３ 溶接金属部
４ 張り出し部
５ 入れ金
６ ピーニング処理部
Ｐ１ 第１の三重点（入れ金、第１金属板、及び溶接金属の境界線の交点）
Ｐ２ 第２の三重点（入れ金、第２金属板（張り出し部は金属板の一部）、及び溶接金属の境界線の交点）
Ｐ３ 張り出し部の根元（第２金属板）
Ｐ１' 第１金属板、溶接金属部および裏当て金の三重点
Ｐ２' 第２金属板、溶接金属部および裏当て金の三重点
Ｘ１ 第１の三重点から張り出し部の根元Ｐ３までの第２金属板材軸方向距離
Ｘ２ 第２の三重点から張り出し部の根元Ｐ３までの第２金属板材軸方向距離
Ｙ１ 溶け込み深さ（第２金属板の裏面と、第１の三重点を含む前記裏面に平行な面と、の距離）
Ｙ２ 溶け込み深さ（第２金属板の裏面と、第２の三重点を含む前記裏面に平行な面と、の距離）
θ 開先角度
１００ 溶接継手

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】