特許 7559799 疲労寿命に優れた回し溶接継手及び回し溶接方法

(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】2024-09-24

(45)【発行日】2024-10-02

(54)【発明の名称】疲労寿命に優れた回し溶接継手及び回し溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 31/00 20060101AFI20240925BHJP

   B23K 9/02 20060101ALI20240925BHJP

【ＦＩ】

B23K31/00 F

B23K9/02 D

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2022075730

(22)【出願日】2022-05-02

(65)【公開番号】P2023165101

(43)【公開日】2023-11-15

【審査請求日】2023-12-22

(73)【特許権者】

【識別番号】000001258

【氏名又は名称】ＪＦＥスチール株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105968

【弁理士】

【氏名又は名称】落合 憲一郎

(72)【発明者】

【氏名】▲崎▼本 隆洋

(72)【発明者】

【氏名】半田 恒久

【審査官】杉田 隼一

(56)【参考文献】

【文献】特開平８－１５５６３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平９－２５３８４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第５８４３０１５（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】国際公開第２０１３／１５７５５７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ３１／００

Ｂ２３Ｋ ９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガセットを主板に回し溶接して接合することによって得られる回し溶接継手であって、前記ガセットが前記主板に当接する矩形当接面の短辺に沿って形成され且つ前記矩形当接面の前記短辺の両側から前記主板上に延伸して形成される２本の短辺溶接ビードと、前記矩形当接面の長辺に沿って形成され且つ前記短辺溶接ビードを交差横断するように被せて前記主板上へ延伸して形成される２本の長辺溶接ビードと、を有し、
前記短辺溶接ビードと前記長辺溶接ビードの先端との間隔Ｎが１０～５０ｍｍ、
前記長辺溶接ビードと前記短辺溶接ビードの先端との間隔Ｌが５～５０ｍｍ、
であることを特徴とする回し溶接継手。

【請求項2】

前記主板の板厚が５～２０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の回し溶接継手。

【請求項3】

前記ガセットの板厚が５～２０ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の回し溶接継手。

【請求項4】

前記主板の応力拡大係数範囲ΔＫが１５ＭＰａｍ^1/2である場合に、前記主板の疲労亀裂伝播速度が１．７５×１０^-8ｍ／ｃｙｃｌｅ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の回し溶接継手。

【請求項5】

前記主板の応力拡大係数範囲ΔＫが１５ＭＰａｍ^1/2である場合に、前記主板の疲労亀裂伝播速度が１．７５×１０^-8ｍ／ｃｙｃｌｅ以下であることを特徴とする請求項３に記載の回し溶接継手。

【請求項6】

ガセットを主板に回し溶接で接合する回し溶接方法において、前記ガセットが前記主板に当接する矩形当接面の短辺に沿って２本の短辺溶接ビードを前記矩形当接面の前記短辺の両側から前記主板上に延伸して形成し、次いで、前記矩形当接面の長辺に沿って２本の長辺溶接ビードを前記短辺溶接ビードを交差横断するように被せて前記主板上へ延伸して形成し、
前記短辺溶接ビードと前記長辺溶接ビードの先端との間隔Ｎを１０～５０ｍｍ、
前記長辺溶接ビードと前記短辺溶接ビードの先端との間隔Ｌを５～５０ｍｍ、
とすることを特徴とする回し溶接方法。

【請求項7】

前記主板の板厚が５～２０ｍｍであることを特徴とする請求項６に記載の回し溶接方法。

【請求項8】

前記ガセットの板厚が５～２０ｍｍであることを特徴とする請求項６又は７に記載の回し溶接方法。

【請求項9】

前記主板の応力拡大係数範囲ΔＫが１５ＭＰａｍ^1/2である場合に、前記主板の疲労亀裂伝播速度が１．７５×１０^-8ｍ／ｃｙｃｌｅ以下であることを特徴とする請求項６又は７に記載の回し溶接方法。

【請求項10】

前記主板の応力拡大係数範囲ΔＫが１５ＭＰａｍ^1/2である場合に、前記主板の疲労亀裂伝播速度が１．７５×１０^-8ｍ／ｃｙｃｌｅ以下であることを特徴とする請求項８に記載の回し溶接方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鋼構造物を建造する際に広く採用される主板とガセットとの回し溶接の技術に関し、詳しくは優れた疲労特性が要求される鋼構造物（例えば鋼橋、船舶等）に好適な回し溶接継手および回し溶接方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

一般に、鋼構造物では図４に示すようにガセット２の周囲を主板１に溶接（いわゆる回し溶接）した回し溶接継手が多数存在する。回し溶接継手においては溶接ビード３がガセット２を取り囲んでおり、その溶接ビード３に欠陥（例えば割れ等）が発生して、溶接止端部の形状が円滑に形成されなかった場合に、溶接止端部における応力集中が生じ易くなる。その結果、回し溶接に起因する溶接残留応力と外力に起因する繰り返し応力とが重畳して疲労亀裂を発生させ、さらに、その疲労亀裂が伝播して疲労破壊を引き起こす原因となる。なお外力は、鋼構造物に外部から繰り返し作用する荷重であり、例えば鋼構造物が鋼橋である場合は、自然の気象状況（例えば風等）や車両の通行によって繰り返し生じる荷重であり、鋼構造物が船舶である場合は、風や波によって繰り返し生じる荷重である。

【0003】

そして近年、鋼構造物の老朽化に伴って、疲労に起因する損傷に関する報告が増加している。そのような損傷を防止するためには、鋼構造物を定期的に検査して、損傷の進行状況を管理し、さらに、損傷の進行に応じて対策を講じる必要がある。とりわけ疲労に起因する損傷が鋼橋に発生した場合は、車両の通行を規制することによって鋼橋に作用する外力を軽減することは可能であるが、交通の渋滞や物流の遅延等を引き起こすので社会活動に多大な悪影響を及ぼす。そこで、鋼構造物の回し溶接継手における疲労特性を改善する技術が検討されている。

【0004】

例えば特許文献１には、ガセットが主板に当接する矩形の当接面（以下、矩形当接面という）の長辺を主板に隅肉溶接し、次いで室温まで冷却した後に、矩形当接面の角部から短辺を回し溶接することによって、継手疲労強度を安定して高める技術が開示されている。この技術は、矩形当接面の短辺に沿って形成される溶接ビード（以下、短辺溶接ビードという）が、長辺に沿って形成される溶接ビード（以下、長辺溶接ビードという）の上に被せられ、且つ、短辺溶接ビードが長辺溶接ビードを超えて主板上に延伸する。このように、まず長辺溶接ビードを溶接し、その上に短辺溶接ビードを被せて溶接すると、溶接ビードが重なる部位に隙間（すなわち主板、長辺溶接ビード、短辺溶接ビードで囲まれた空間）が生じ易く、応力集中に起因する疲労亀裂が容易に発生し、その疲労亀裂の伝搬を防止するのは困難である。つまり特許文献１に開示された技術では、回し溶接継手の疲労強度の大幅な向上は期待できない。

【0005】

これに対し、特許文献２には、回し溶接の施工コストの上昇を抑制するために通常の溶接装置、溶接材料を用いて、上記の隙間の発生を防止する技術が開示されている。この技術では、まず短辺溶接ビードを溶接し、次いで長辺溶接ビードを溶接することによって、短辺溶接ビードの上に長辺溶接ビードを被せる、その際、既に溶接されている短辺溶接ビードを超えて長辺溶接ビードが延伸するように溶接する。これにより、上記の隙間の発生を防止し、ひいては溶接止端部の形状に関わらず疲労亀裂の発生を防止している。さらに、短辺溶接ビードが長辺溶接ビードを超えない長さになるように溶接しておくことによって、上記の隙間の発生をより顕著に防止している。

【0006】

なお、特許文献２では、短辺溶接ビードが長辺溶接ビードを超えない長さになるように溶接しておく理由として、短辺溶接ビードが長すぎて、２本の長辺溶接ビードの下側から主板上に延伸した場合は、主板、短辺溶接ビード、長辺溶接ビード（２本のうちいずれか１本）で囲まれた隙間が生じ易く、疲労亀裂が発生し易くなると述べている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開平８－１９８６０号公報

【文献】特開２０１８－１５８３８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

一方、実際の溶接施工を考えた場合、特許文献２の技術に従い短辺溶接ビードが長辺溶接ビードを超えないように施工するのは溶接施工管理の上で問題がある。つまり、実際の溶接施工では、作業者の技能や溶接機の性能の差異等により、短辺溶接ビードの終端位置が変動して、短辺溶接ビードの実長さが狙い長さより５～１０ｍｍ程度短くなる現象（短辺溶接ビードのショートビードという）が生じることがあり、このとき短辺溶接ビードが長辺溶接ビードと重なる部分に隙間が生じて長辺溶接ビードのビード幅に比して１０％以上の隙間となるとビード不連続による応力集中が生じ、疲労強度が低下する。

【0009】

本発明は、上述の事情に鑑み、実際の溶接施工を考慮し、ショートビードが生じても、疲労強度を安価に且つ安定して向上することができる回し溶接継手及び回し溶接方法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】

【0010】

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討し、その結果、短辺溶接ビードが長辺溶接ビードを超えて延伸した部分の実長さが５ｍｍ未満では、上記の隙間（主板、短辺溶接ビード、長辺溶接ビードで囲まれた空間）生じ易く疲労強度が低下する場合があるが、５ｍｍ以上であれば、短辺溶接ビードのショートビードの発生有無に関わらず優れた疲労強度が得られるという知見を得るに至った。

【0011】

本発明は、上記の知見に基き、さらに検討を加えてなされたものであり、その要旨は以下の通りである。
［１］ ガセットを主板に回し溶接して接合することによって得られる回し溶接継手であって、前記ガセットが前記主板に当接する矩形当接面の短辺に沿って形成され且つ前記矩形当接面の前記短辺の両側から前記主板上に延伸して形成される２本の短辺溶接ビードと、前記矩形当接面の長辺に沿って形成され且つ前記短辺溶接ビードを交差横断するように被せて前記主板上へ延伸して形成される２本の長辺溶接ビードと、を有し、
前記短辺溶接ビードと前記長辺溶接ビードの先端との間隔Ｎが１０～５０ｍｍ、
前記長辺溶接ビードと前記短辺溶接ビードの先端との間隔Ｌが５～５０ｍｍ、
であることを特徴とする回し溶接継手。
［２］ 前記主板の板厚が５～２０ｍｍであることを特徴とする［１］に記載の回し溶接継手。
［３］ 前記ガセットの板厚が５～２０ｍｍであることを特徴とする［１］又は［２］に記載の回し溶接継手。
［４］ 前記主板の応力拡大係数範囲ΔＫが１５ＭＰａｍ^1/2である場合に、前記主板の疲労亀裂伝播速度が１．７５×１０^-8ｍ／ｃｙｃｌｅ以下であることを特徴とする［１］～［３］のいずれか１項に記載の回し溶接継手。
［５］ ガセットを主板に回し溶接で接合する回し溶接方法において、前記ガセットが前記主板に当接する矩形当接面の短辺に沿って２本の短辺溶接ビードを前記矩形当接面の前記短辺の両側から前記主板上に延伸して形成し、次いで、前記矩形当接面の長辺に沿って２本の長辺溶接ビードを前記短辺溶接ビードを交差横断するように被せて前記主板上へ延伸して形成し、
前記短辺溶接ビードと前記長辺溶接ビードの先端との間隔Ｎを１０～５０ｍｍ、
前記長辺溶接ビードと前記短辺溶接ビードの先端との間隔Ｌを５～５０ｍｍ、
とすることを特徴とする回し溶接方法。
［６］ 前記主板の板厚が５～２０ｍｍであることを特徴とする［５］に記載の回し溶接方法。
［７］ 前記ガセットの板厚が５～２０ｍｍであることを特徴とする［５］又は［６］に記載の回し溶接方法。
［８］ 前記主板の応力拡大係数範囲ΔＫが１５ＭＰａｍ^1/2である場合に、前記主板の疲労亀裂伝播速度が１．７５×１０^-8ｍ／ｃｙｃｌｅ以下であることを特徴とする［５］～［７］のいずれか１項に記載の回し溶接方法。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、鋼構造物を新たに建造する場合や老朽化した鋼構造物を補修する場合に、回し溶接の施工時に短辺溶接ビードの５～１０ｍｍのショートビードが生じても、回し溶接継手の疲労強度を安価に且つ安定して向上することが可能となり、産業上格段の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明に係る回し溶接継手の例を模式的に示す斜視図である。

【図2】図１に示す回し溶接継手を得るための溶接施工の手順を模式的に示す平面図である。

【図3】図２（ｃ）を拡大して示す平面図である。

【図4】従来の回し溶接継手の例を模式的に示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図１は、本発明に係る回し溶接継手の例を模式的に示す斜視図であり、図２は、その回し溶接継手を得るための溶接施工の手順を示す平面図である。なお図２において、ガセット２が主板１に当接する矩形当接面２ａは、ガセット２を主板１に投影した矩形線で囲まれた形状と一致する。以下では、図２（ａ）～（ｃ）の矩形線（すなわち主板１に投影されたガセット２）で囲まれた形状を矩形当接面２ａとして説明する。また、図３は、図２（ｃ）の拡大図である。

【0015】

図１に示すとおり、本発明に係る回し溶接継手は、最初に矩形当接面２ａの短辺に沿って形成され、その後矩形当接面２ａの短辺の両側から主板１上に延伸して形成される２本の短辺溶接ビード４、４と、矩形当接面２ａの長辺に沿って形成され且つ短辺溶接ビード４、４を交差横断するように被せて主板１上へ延伸して形成される２本の長辺溶接ビード５、５とを有する。そして、図３に示すように、短辺溶接ビード４と長辺溶接ビード５の先端との間隔Ｎ（以下、単に間隔Ｎともいい、Ｎ１とＮ２と区別する場合もある）が１０～５０ｍｍ、長辺溶接ビード５と短辺溶接ビード４の先端との間隔Ｌ（以下、単に間隔Ｌともいい、Ｌ１とＬ２と区別する場合もある）が５～５０ｍｍである。ここで、溶接ビードの「先端」とは、始端及び終端（止端）を総称していう。間隔Ｎは、１本の短辺溶接ビード４と交差する１本の長辺溶接ビード５の両端から前記１本の短辺溶接ビード４までの長短２つの距離のうち短い方を指し、間隔Ｌは、１本の長辺溶接ビード５と交差する１本の短辺溶接ビード４の両端から前記１本の長辺溶接ビード５までの長短２つの距離のうち短い方を指す（図３参照）。なお、Ｓは長辺溶接ビード５の脚長である。

【0016】

疲労亀裂の伝播を抑制し且つ溶接施工の作業効率を向上させるために、間隔Ｎの範囲は１０～５０ｍｍとする。間隔Ｎが１０ｍｍを下回ると疲労亀裂が伝播し易くなり、一方、間隔Ｎが５０ｍｍを上回ると２本の長辺溶接ビード５、５の形成に無駄な溶接工数が増加する。

【0017】

間隔Ｎの範囲を１０～５０ｍｍとすることで、疲労亀裂が発生した場合には、疲労亀裂の起点は、２本の長辺ビード５、５の延伸部の間に存在するので、主板１側に発生する疲労亀裂の伝播が２本の長辺ビード５、５の間に制限され、ひいては疲労亀裂が広範囲に伝播するのを防止できる。なお、間隔Ｎは、好ましくは１０～３０ｍｍである。

【0018】

一方、短辺溶接ビード４のショービードが発生しても優れた疲労強度を確保し且つ溶接施工の作業効率を向上させるために、間隔Ｌの範囲は５～５０ｍｍとする。短辺溶接ビード４のショートビードの発生有無に関わらず、間隔Ｌが５ｍｍ未満であると、疲労強度が低下する場合があるが、間隔Ｌが５ｍｍ以上であれば優れた疲労強度が得られる。一方、間隔Ｌが５０ｍｍを超えると２本の短辺溶接ビード４、４の形成に無駄な溶接工数が増加する。なお、間隔Ｌは、好ましくは５～１０ｍｍである。

【0019】

なお、間隔Ｎ及び間隔Ｌは、２本の短辺溶接ビード４、４と２本の長辺溶接ビード５、５とでつくられる４つの交差部と１対１に対応して、４つずつ存在するが、間隔Ｎ、Ｌとも４つのうち任意の２つ以上が同一値である場合とない場合のいずれであってもよい。

【0020】

本発明に係る回し溶接継手を得るにあたって、まず、図２（ａ）に示すように、矩形当接面２ａの短辺に沿って２本の短辺溶接ビード４、４を形成する。２本の短辺溶接ビード４、４のいずれを先あるいは後に施工するかは特に限定されない。

【0021】

この時、短辺溶接ビード４が矩形当接面２ａの短辺の両側から主板１上に延伸し且つ前記間隔Ｌが５～５０ｍｍとなるように溶接を施工する。したがって短辺溶接ビード４の長さは、矩形当接面２ａの短辺と、次工程の２本の長辺溶接ビード５、５の脚長Ｓ、Ｓと、前記間隔Ｌ１、Ｌ２との合計の長さとなるように予測して施工する。こうすることによって、溶接施工のバラツキによって短辺溶接ビード長さが狙いビード長さより５～１０ｍｍ短くなる短辺溶接ビードのショートビードが生じても、次工程の長辺溶接ビード５を短辺溶接ビード４を交差横断するように被せて主板１上へ延伸して形成し、間隔Ｌの実長さを５～５０ｍｍとすることが可能である。

【0022】

なお、間隔Ｌ（Ｌ１とＬ２）の実長さを５～５０ｍｍとするには、間隔Ｌの狙い長さを１５～５０ｍｍとして短辺溶接ビード４を施工することが好ましい。これによれば、間隔Ｌの実長さは、狙い通りの場合で１５～５０ｍｍ、狙いから小さい側へ最大１０ｍｍだけ外れた場合で５～４０ｍｍになり、いずれの場合でも、間隔Ｌの実長さを５～５０ｍｍとすることができる。

【0023】

次いで、矩形当接面２ａの長辺に沿って２本の長辺溶接ビード５、５を、短辺溶接ビード４、４を交差横断するように被せて主板１上へ延伸して形成し、間隔Ｎを１０～５０ｍｍとする。２本の長辺溶接ビード５、５のいずれを先あるいは後に施工するかは特に限定されない。

【0024】

なお、長辺溶接ビード５の施工の場合でも、短辺溶接ビード４の施工の場合と同様の理由で、長辺溶接ビード５の間隔Ｎの実長さが狙い長さより５～１０ｍｍ程度短くなることがある。そこで、間隔Ｎ（Ｎ１とＮ２）の実長さを１０～５０ｍｍとするには、間隔Ｎの狙い長さを２０～５０ｍｍとして長辺溶接ビード５を施工することが好ましい。これによれば、間隔Ｎの実長さは、狙い通りの場合で２０～５０ｍｍ、狙いから小さい側へ最大１０ｍｍだけ外れた場合で１０～４０ｍｍになり、いずれの場合でも、間隔Ｎの実長さを１０～５０ｍｍとすることができる。

【0025】

本発明においては、主板１の板厚は、特に限定されないが、疲労特性の改善効果の観点から好ましくは５～２０ｍｍである。主板１の板厚が５ｍｍ未満では、実施工では実施されない板厚であり、一方、２０ｍｍ超では、本発明による疲労特性の改善効果が比較的小さい。

【0026】

また、本発明においては、ガセット２の板厚は、特に限定されないが、疲労特性の改善効果の観点から好ましくは５～２０ｍｍである。ガセット２の板厚が５ｍｍ未満では、ビードの大きさから短辺溶接と長辺溶接に分割するのが難しく、一方、２０ｍｍ超では、本発明による疲労特性の改善効果が比較的小さい。

【0027】

また、本発明においては、どのような材質の主板やガセットを用いても効果が発揮されるが、特に疲労亀裂発生初期段階での主板側における亀裂前縁の大きさを制限できることから、疲労亀裂伝播速度の低い（疲労亀裂が進展しにくい）主板を適用することによって、より一層の長寿命化が期待できる。疲労亀裂伝播速度の低い主板の代表例としては、主板の応力拡大係数範囲ΔＫが１５ＭＰａｍ^1/2である場合に、主板の疲労亀裂伝播速度が１．７５×１０^-8ｍ／ｃｙｃｌｅ以下である主板が挙げられる。かかる主板の材料としては、鋼種がＳＭ４００、ＳＭ４９０、ＳＭ５２０、ＳＭ５７０等で、降伏応力が、２４５～５６０ＭＰａの材料が挙げられる。

【0028】

回し溶接を行う溶接手段は、被覆アーク溶接法、ガスメタルアーク溶接法が主であるが、それ以外の手段についても適宜用いることができ、手動溶接又は自動溶接いずれを採用しても良い。

【0029】

本発明は、鋼構造物を新たに建造する場合のみならず、老朽化した鋼構造物を補修する場合にも適用できる。

【実施例】

【0030】

主板１（板厚：１４．７ｍｍ、板幅：８０ｍｍ、長さ：５００ｍｍ）にガセット２（板厚：１４．７ｍｍ、板幅：７５ｍｍ、高さ：５０ｍｍ）をフラックス入りワイヤを用いてガスメタルアーク溶接法で回し溶接し、得られた回し溶接継手を用いて、疲労試験を行なった。その手順を説明する。フラックス入りワイヤは、いずれの回し溶接継手においても、神戸製鋼所製ＭＸ－Ｚ２００（ワイヤ径１．２ｍｍ）を用い、溶接条件は２４０Ａ－３２Ｖとし、脚長は短辺溶接ビード４、長辺溶接ビード５とも８ｍｍ程度を狙った。なお、ガセット２は主板１の中央に配置したので、矩形当接面２ａは主板１の中央に位置する。

【0031】

主板１及びガセット２は表１に示す成分を有する鋼板Ａを使用した。なお、この鋼板は、主板１の応力拡大係数ΔＫが１５ＭＰａｍ^1/2であるとき、疲労亀裂伝播速度が１．８５×１０^-8ｍ／ｃｙｃｌｅである。

【0032】

疲労試験は軸荷重制御、応力比０．１、周波数１０Ｈｚで室温・大気中で実施した。

【0033】

【表1】

【0034】

上記の回し溶接継手について、実測ビード間隔、疲労試験の応力範囲及び試験結果（疲労寿命：疲労破断に至るまでの荷重繰り返し数）を表２に示す。

【0035】

【表2】

【0036】

表２から明らかなように、本発明例はいずれも、間隔Ｎ１とＮ２が１０～５０ｍｍ、間隔Ｌ１とＬ２が５～５０ｍｍであり、良好な疲労寿命を有していた。一方、比較例はいずれも、間隔Ｌ１とＬ２のいずれか一方又は両方が５ｍｍ未満であり、疲労寿命が本発明例の半分以下となっていた。

【符号の説明】

【0037】

１ 主板
２ ガセット
２ａ 矩形当接面
３ 溶接ビード
４ 短辺溶接ビード
５ 長辺溶接ビード
Ｓ 長辺溶接ビードの脚長

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】