【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鋼部分とコンクリート部分の結合部材などに使用される金属製の溶接ジベルを被溶接材にスタッド溶接する方法およびそれによって形成されたスタッド溶接構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
建物の梁上にコンクリート床を形成する場合や鋼材により作られた橋梁上にコンクリートスラブを形成する場合のように、鋼部分とコンクリート部分を結合して鋼−コンクリートの複合構造を形成する際には、両者の結合部材として金属製の溶接ジベルが使用されている。
一般に使用される溶接ジベルは、棒状の軸部の先端側に溶接部を設け、反対側に拡大された頭部を設けて構成されており、それをスタッド溶接により鋼部分に所定間隔で多数溶植設し、その上からコンクリートを流し込むことにより鋼−コンクリート複合構造を形成する。このような鋼−コンクリート複合鋼の鋼部分に溶植設された溶接ジベルは、その頭部がコンクリートの軸線方向の引張応力に抵抗する機能を有し、軸部がコンクリートの剪断応力に抵抗する機能を有する。
【０００３】
しかし、このように軸部とその先端に設けられた溶接部の断面積が同じ寸法とされた溶接ジベルは、剪断応力に対する支持特性が充分でないという問題があった。そして高強度スタッド、高強度コンクリートになると軸部と鋼製梁への溶接部の断面積が同じ面積とした従来形状のスタッドの場合、剪断特性に対する支持特性に問題があった。すなわち、高強度スタッド、高強度コンクリートにしても、鋼とコンクリート間の強度は高強度になるものの、その間の滑り剛性は向上しない。また、自動車や列車などの通過の際に生じる多数回の繰り返し荷重によりスタッドの溶接部が多数回の曲げ繰り返し変形を受けるような場合、スタッドとコンクリートを高強度にしても、その間の耐疲労強度は向上しないと言う問題があった。
なお、溶接ジベルの剪断応力に対して要求される特性は、鋼部分への溶接部分が破壊されず、且つその軸部の破壊変形量が充分に大きいことであるが、溶接部分の破壊耐力を高めるためその軸部の断面積を大きくすると、軸部の剛性が高くなって破壊変形量が不充分となり、コンクリート部分にひび割れなどの破損を生じる原因になる。逆に破壊変形量を大きくするために軸部の断面積を小さくすると、溶接部分の破壊耐力が低下して鋼部分とコンクリート部分の結合力を弱める。そのため、このような問題を解決するものとして、軸部とそれより断面積の大きな溶接部からなる溶接ジベルが提案されている。（特開平５−１５６７２０号公報）
【０００４】
これは、図９に示すような軸部が先端まで同一直径の一般の溶接ジベルの剪断破壊に比べて、図１０に示すような軸部先端が膨大したものの方が剪断破壊に対する耐力が大きいことを実証したものである。すなわち、軸部先端まで同一直径の溶接ジベル１（図９）を被溶接材８にスタッド溶接したものと、その先端部が膨大した溶接ジベル１（図１０）を被溶接材８にスタッド溶接した場合、それらの剪断破壊に対する耐力は図８のような特性になる。すなわち、点線で示す図９の溶接ジベルの特性と実線で示す図１０の溶接ジベルの特性とでは、図９の溶接ジベルの方が初期剛性が大幅に大きくになると共に、最大耐力も僅かに大きくなる。さらに剪断破壊が引張破壊の形態となり、破壊モードが延性破壊になる。そして剪断破壊が引張破壊で且つ軸部における破壊となるため、耐疲労性も向上する。
なお、破壊時のずれ変形（変形能力）は、両者間で大体同じであることが判っている。また、剪断力が小さい範囲では図１０の改良型溶接ジベルの方が変形量が小さい特徴もある。そして図９の溶接ジベルではその剪断破壊部分が溶接部に現れる。
【０００５】
しかし図１０の溶接ジベルは、剪断応力に対する支持特性は改善されるが、溶接ジベルを特殊な形状に構成しなければならないという別の問題が発生する。すなわち、溶接ジベルの軸の途中を拡大するための加工を必要とし、そのため大幅なコストアップが避けられないという欠点があった。
そこで本出願人はこの問題を解決するために、通常の溶接ジベルを使用して拡大部を有する溶接ジベルと同様の効果を奏するスタッド溶接方法を先に提案した（特開平７−２５６４５７公報）。この方法は貫通孔を設けた金属製の拡大ブロック体を被溶接材の表面に配置し、溶接ジベルの溶接部を貫通孔内に挿入してスタッド溶接するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記特開平７−２５６４５７公報に提案されたスタッド溶接方法をさらに改良し、剪断応力に対する強度をより高めることができる新規なスタッド溶接方法、およびその方法によって形成されたスタッド溶接構造を提供することを課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明の第１の発明は、貫通孔またはアークスタッド溶接中に溶融して貫通する程度の厚さの薄板部が残存する凹陥部を設けた金属製の拡大ブロック体を被溶接材の表面に配置し、溶接ジベルの溶接部を拡大ブロック体の貫通孔または凹陥部内に挿入してスタッド溶接する方法の改良であり、その拡大ブロック体の辺部にそれから一体的に立ち上がる金属製の側部が設けられていることを特徴とする。
この新しい方法によれば、拡大ブロック体を溶接ジベルと共に鋼材等の被溶接材にスタッド溶接することにより、それに一体化された側部も同時に被溶接材に結合される。そして溶接ジベルと側部を有する拡大ブロック体がコンクリートに埋設されて鋼−コンクリートの複合構造が形成されるが、鋼とコンクリートの間の剪断応力は溶接ジベルに加わると共に側部にも加わりその一部を分担する。したがって、鋼とコンクリートの間の剪断応力に対する強度を拡大ブロックのみを使用した場合より高めることができ、耐剪断応力を同じとすれば単位面積あたりの溶接ジベルの数をより少なくすることができる。なお、その剪断応力は主として側部の拡大ブロック体から一体的に立ち上がる部分で受け持つが、それから先端にかけての部分でも副次的には受け持つことができる。
【０００８】
本発明の第２の発明は、上記第１の発明の方法において拡大ブロック体と側部がＬ型鋼から形成されたものを使用することを特徴とする。Ｌ型鋼を所定長に切断加工することにより拡大ブロック体と側部が一体化されたユニットが容易に形成される。
本発明の第３の発明は、上記第１の発明の方法において拡大ブロック体の両辺にそれぞれ側部を設けたものを使用することを特徴とする。この方法によれば溶接ジベルに加わる前後２方向からの剪断応力を各側部で方向に応じて分担受圧することができる。
本発明の第４の発明は、上記第１の発明の方法において拡大ブロック体の四辺に側部を互いに間隙を有して設けたものを使用することを特徴とする。この方法によれば溶接ジベルに加わる前後左右方向からの剪断応力をその方向に応じて各側部で分担受圧することができる。
【０００９】
本発明の第５の発明は、上記第１の発明の方法によつて形成されるスタッド溶接構造である。すなわち、辺部から一体的に立ち上げられた側部を有する金属製の拡大ブロック体が被溶接材の表面に配置され、拡大ブロック体に設けられた貫通孔またはアークスタッド溶接中に溶融して貫通する程度の厚さの薄板部が残存する凹陥部に、軸部と溶接部を有する溶接ジベルの該溶接部を挿入してスタッド溶接することにより、溶接ジベルと拡大ブロックが被溶接材に固着されていることを特徴とするものである。
このスタッド溶接構造によれば、前記のように溶接ジベルに加わる鋼とコンクリートの間の剪断方向の応力の一部が拡大ブロック体の側部で分担される。そのため前記のように鋼とコンクリートの間の剪断応力に対する強度を高めることができ、耐剪断応力を同じとすれば単位面積あたりの溶接ジベルの数をより少なくすることができる。
本発明の第６の発明は、上記スタッド溶接構造において、複数の溶接ジベルがＬ型鋼から形成された拡大ブロック体と共に被溶接材に所定間隔でスタッド溶接され、さらに溶接ジベルに加わる複数方向の剪断応力を各拡大ブロック体の側部で分担して受圧するように、溶接ジベルと拡大ブロックから立ち上がる側部との位置関係を個別にまたは群毎に異ならせてスタッド溶接することを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に図面により本発明の実施例を説明する。
図１は本発明のスタッド溶接法を説明するための一部破断斜視図であり、図２は図１の部品を使用してスタッド溶接する状態を示す部分断面図である。これらの図において、先ず本発明のスタッド溶接法に使用する各部品について説明すると、被溶接材８にスタッド溶接する溶接ジベル１は、例えば鋼材等の金属材料を切削または鍛造加工して作られ、軸部２とその先端の溶接部４が軸線方向に順に一体的に形成されている。さらに溶接部４の反対側の軸部２の端部にそれより断面積の大きい頭部５が一体的に形成されている。しかしこれらは溶接により相互に固着して作ることもできる。さらに、頭部５以外を切削加工により一体的に作り、それに頭部５を溶接してもよい。
【００１１】
溶接ジベル１の軸部２、溶接部４および頭部５は軸線に対して回転対称に形成されている。しかし、軸部２や頭部５の断面を例えば正方形のような矩形、または５角形や６角形のような多角形とすることもできる。
さらに溶接部４は先端に向かって断面の縮小する円錐台形状とされており、その先端中央部には半球状の凹部が形成され、その凹部に例えばアルミニウム製で球状の電極６が打ち込まれて固着されている。このような材料により形成された電極はスタッド溶接に際して溶融蒸発してフラックス作用を行うことができる。なお溶接ジベル１における軸部３の直径と長さの比は１：３．５〜１：１５程度が好ましい。さらに溶接部４の長さは拡大ブロック体７の厚さと同じかまたはそれより僅かに長い寸法とされる。
【００１２】
拡大ブロック体３は正方形もしくは長方形の平面形状を有する比較的薄い金属ブロックで、平坦な底面１０を有し、中央部に円形断面の貫通孔１１が設けられている。そしてその１辺部から金属製の側部７が一体的に立ち上げられ、それら両者でＬ型部を形成している。このＬ型部は溶接ジベル１と同じ材料、例えば鋼材などの金属材料を切削加工して作ることができるが、Ｌ型鋼を所定長に切断してその底部分、すなわち拡大ブロック体３の部分に貫通孔１１を形成することにより、簡単に且つ低コストで作ることができる。さらにＬ型鋼の内隅部は一般に図示のような弧状の厚肉部に形成されているので、剪断応力による側部の変形に対する抵抗力を大きくすることができる。
【００１３】
拡大ブロック体３に貫通孔１１を設ける代わりに、平坦な上面と底面を有する比較的薄い金属ブロックの中央部に上方へ開口する円形断面の凹陥部を形成することもできる。この凹陥部はアークスタッド溶接中に溶融して貫通する程度の厚さの底部を残存させて形成される。
なお、Ｌ型鋼を利用する場合は側部７の厚さと拡大ブロック体３の厚さが同じになるが、他の方法で作る場合には拡大ブロック体３と側部７の厚さは同じでも異なるものでも任意に作ることができる。
この例において、軸部２の直径と側部７に平行する拡大ブロック体３の幅寸法の比は１：２〜１：５程度とされ、軸部２の直径と側部７に直交する拡大ブロック体３の幅寸法の比は１：２〜１：５程度とされる。
【００１４】
図２に示すように、拡大ブロック体３の貫通孔１０の上部を覆うようにアークシールド体９を配置することが好ましい。アークシールド体９はセラミック材のような耐熱性のある材料で作られ、中央部に溶接ジベルを挿通する円形断面の挿通孔１４および段差を有する筒状体またはリング状体である。アークシールド体９の上面には押圧リング１３が配置され、その押圧リング１３から連結部１２が垂直に延長され、該連結部１２の先端部は図示しないスタッド溶接機にネジ結合等により着脱自在に連結される。アークシールド体９の下面は拡大ブロック体３の上面に接し、その接触部分に複数の溝９ａが設けられている。この溝９ａは溶接に際して発生するガスの一部をアークシールド体９の外部に排出するために設けられる。
なお、スタッド溶接した後に溶接ジベル１からアークシールド体９を分離するため、ハンマー等で破壊し、或いはアークシールド体９は軸線を中心として複数、例えば２つに分割できるように構成してもよい。しかし溶接ジベル１の頭部５が軸部２より拡大していないときにはこのような分割手段を必要としない。
【００１５】
溶接時において大量の遮蔽ガスを発生させるため、拡大ブロック体３の貫通孔１１内部にリング状のフラックス体を装着することもできる。そのようなフラックス体は、例えば特公昭４０−２２６４５号公報に記載されているようなアルミニウム、またはアルミニウムとシリコンの合金、さらにはそれらに鉄を加えた材料等を使用し、それらの金属、合金のブロックを切削加工したり、またはそれらの粉末を適当なバインダにより成形加工して作ることができる。さらに特公昭４６−１７５６５号公報に記載されているような材料（ＳｉＯ２ ２３〜５３％、Ｍｎ１６〜４５％、ＣａＯ２〜１０％、ＣａＦ２ ２〜１０％、ＭｇＯ０．３〜２０％、Ａｌ２ Ｏ３ ０．８〜１０％）、さらにはそれに鉄を含有させた材料等も使用することができる。なおフラックス体はその内周壁がアークスタッド溶接に際して溶接ジベル１の軸部２および溶接部４との間にアークを生じない大きさとされる。また、フラックス体の高さは拡大ブロック体３の高さより低い値とされ、体積は遮蔽ガスの必要発生量から決められる。
【００１６】
次に、上記部品を使用して溶接ジベルを溶接する方法について説明する。
図２に示すように、先ず被溶接体８のスタッド溶接すべき場所の表面に、側部７付き拡大ブロック体３をその底面１０が接触するように配置する。さらに拡大ブロック体３の上にアークシールド体９を載置する。そして図示しないアークスタッド溶接機本体に連結されたスタッド溶接機のチャックに溶接ジベル１を把持させる。次に溶接ジベル１の先端部４を図示のように拡大ブロック３の貫通孔１１内に挿入し、その先端の電極６を被溶接体８の表面に接触させる。そのときアークシールド体９は押圧リング１３により下方へ押圧される。
【００１７】
上記状態でスタッド溶接機を起動すると、最初に短時間溶接ジベル１の先端部４に設けた電極６と被溶接体８の接触部間が通電し、次いで溶接ジベル１が自動的に僅かに上昇して、その先端部４と被溶接体８との間に生じた間隙にアーク放電が発生する。
アーク放電の継続により溶接ジベル１の先端部４が溶融し、貫通孔１１内に溶融池が形成される。
次いで溶接ジベル１を下降させて被溶接体８に押圧することにより、溶接ジベル１と被溶接体８および側部７を有する拡大ブロック３の三者が一体的に接合される。この溶接時間は通常１秒前後で極めて短時間で終了する。
図３はこのようにして溶接された溶接ジベル１と被溶接体８および側部７を有する拡大ブロック３の結合状態を示した正面図である。溶接ジベル１の先端部４は溶融により消滅し、その結果溶接ジベル１の軸部２と被溶接体８および拡大ブロック３の三者が一体化されている。
【００１８】
図４は図３のように溶接ジベル１と側部７を有する拡大ブロック体３を一体的に被溶接体８に接合した所へコンクリートを打設し、被溶接体８とコンクリート層１５の複合構造を形成した状態を示す部分断面図である。
一般に図４のような溶接ジベル１を所定間隔で複数埋設することにより鋼−コンクリート複合構造が形成されるが、鋼とコンクリート間の剪断応力は一方向のみではなく通常複数方向から加わることが多い。一方、拡大ブロック３と側部７をこのようにＬ型部に形成した場合は、溶接ジベル１と共にその側部７の表面が剪断応力の受圧面になり、特に変形量の少ない側部７の根元、すなわち拡大ブロック３からの立ち上がり部付近が主な受圧部となる。そして平行関係にある溶接ジベルと側部７に対して、例えば側部７から溶接ジベル１方向の剪断応力がコンクリートに加わった場合は、側部７が溶接ジベル１より多くの剪断応力を受け持ち、逆方向の場合、または直交する方向からの剪断応力に対しては溶接ジベル１が側部７より多くの剪断応力を受け持つ。
【００１９】
そのためコンクリート中における各溶接ジベル１と拡大ブロック３から立ち上がる側部７との位置関係をすべて同一にすると、側部７から溶接ジベル１方向の剪断応力がコンクリート中に加わった場合はよいが、逆方向またはそれと直交する方向からの剪断応力に対しては、側部７による応力分担力は低下する。したがって、溶接ジベル１と拡大ブロック３から立ち上がる側部７との位置関係は個別にまたは群（ブロック）毎に異ならせることが好ましい。例えば１００個の溶接ジベル１と側部７のユニットが埋設される場合、２５個ずつ９０度異なる位置関係に埋設すると、前後左右の全ての方向からの剪断応力に等しく対応することができる。
【００２０】
図５は本発明の方法に使用される拡大ブロックの他の側部の例を示す断面図である。この例では拡大ブロック体３の両辺に一対の側部７が一体的に立ち上げられて、全体として図示のように断面がコ字型に形成されている。そして拡大ブロック体３の中央部に貫通孔１１が設けられている。このような構造とすることにより、溶接ジベルに加わる前後または左右の２方向からの剪断応力を各側部７のいずれかがより多く分担して受圧することができる。
【００２１】
図６は本発明の方法に使用される拡大ブロックの他の側部の例を示す斜視図である。この例では拡大ブロック体３の全ての辺に側部７が一体的に立ち上げられて、且つそれらの間に間隙１６が設けられている。この間隙は拡大ブロック３等を溶接ジベル１と共にコンクリートに埋設する際、側部７で囲まれた内部へコンクリートを良好流入させるために設けられる。そして拡大ブロック体３の中央部に貫通孔１１が設けられている。このような構造とすることにより、溶接ジベルに加わる前後左右方向からの剪断応力を各側部７のいずれかがより多く分担して受圧することができる。
図７は図６のような側部７を有する拡大ブロック３を使用して溶接された溶接ジベル１と被溶接体８等の結合状態を部分的に切り欠いて示した正面図である。溶接ジベル１の軸部２と被溶接体８および拡大ブロック３の三者が一体化されている。
【００２２】
【実施例】
図１に示すような側部７を有する拡大ブロック３を使用し、溶接ジベル１を被溶接部材である鋼板上にスタッド溶接したものを２セット作り、それらの溶接ジベル１の頭部を対抗させて所定間隔でセットを向かい合わせ、さらに所定位置に複数の補強鉄筋を介在させて基礎コンクリート上に配置し、そこへコンクリートを流入して鋼−コンクリートの複合構造ブロックを作製した。次にそのブロックを図１１に示す試験装置にセットし、鋼板とコンクリート間に剪断荷重を加えて荷重と変位の関係を調べた。なお図１２は図１１の試験装置の側面図である。
これら図において、２０はコンクリートブロック、２１は補強鉄筋、２２は被溶接部材である鋼板、２３は基礎コンクリート、２４はスタッドボルト、２５は引張部材、２６は変位計である。
使用した溶接ジベル１は頭付きの冷間圧造用炭素鋼線材でスタッドの軸直径が１６ｍｍ、長さ １６０ｍｍ、引っ張り強さが４１〜５６ｋｇ ｆ／ｍｍ２ で、拡大ブロック３は一般構造用軽量型鋼、５０ｍｍ×５０ｍｍ× ３．２ｍｍのアングリンル材を長さ５０ｍｍに切断したものであって、引っ張り強さ４１〜５６ｋｇ ｆ／ｍｍ２ である。また鋼板は溶接構造用圧延鋼材で厚さ９ｍｍ、引っ張り強さ４９〜６０ｋｇ ｆ／ｍｍ２ を使用し、コンクリートは通常のポルトランドセメントに１０ｍｍ径の骨材を混入して調整した。
【００２３】
試験は図１２のようにコンクリートブロック２０に上方から外力を加えると共に、鋼板２２に連結した引張部材２５を上方へ引張ることによって行った。比較のため、側部を有しない以外は上記実施例と同様の拡大ブロック３を使用して溶接ジベル１を鋼板にスタッド溶接して鋼−コンクリートの複合構造ブロックを作製したもの、および拡大ブロック３を使用することなく溶接ジベル１を直接鋼板２２にスタッド溶接して鋼−コンクリートの複合構造ブロックを作製したもの等についても、同様な試験装置で鋼板とコンクリート間に剪断荷重を加えて荷重と変位の関係を調べた。これらの結果を図１３に示す。図中Ａは図１の側部を有する拡大ブロック（本発明のもの）を使用した場合、Ｂは側部を有しない拡大ブロックを使用した場合、Ｃは拡大ブロックを使用しない場合の結果である。
これらの結果から、本発明のような側部を有する拡大ブロックを使用して溶接ジベルを鋼板にスタッド溶接したものは、従来の方法でスタッド溶接したものに比べて剪断応力に対する強度を大幅に増加できることが分かる。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように構成した本発明のスタッド溶接方法によれば、拡大ブロックを使用する効果、すなわち簡単な溶接ジベルの構造にも係わらず、予定される最大剪断応力に対しその溶接部分が破壊されず、初期剛性が高く且つ破断位置が軸部となるため、多数の繰り返し荷重（例えば１０８ のオーダ）に対し、大幅の耐疲労強度が向上するという効果、をそのまま維持した上に、溶接ジベルに加わるべき剪断応力を拡大ブロックに一体的に設けた側部にも分担させることができる。そのため剪断応力に対する総合的な強度をより高めることができる。そしてそのような拡大ブロックを溶接シベルと共に被溶接材にスタッド溶接するだけで、それから一体的に立ち上げられた側部も同時に被溶接材に固定できる。
該方法によって形成されたスタッド溶接構造を埋設した鋼−コンクリートの複合構造は、鋼とコンクリートの間の剪断応力に対する強度が大幅に高くなり、耐剪断応力を従来と同一のレベルとした場合には、単位面積あたりの溶接ジベルの数をより少なくすることができる。
【００２５】
本発明の方法において、側部と拡大ブロックでＬ型部を構成したものを使用することにより、Ｌ型鋼を所定長に切断加工することにより容易にその構造を形成することができる。
本発明の方法において、拡大ブロック体の両辺にそれぞれ側部を設けたものを使用することにより、溶接ジベルに加わる前後２方向からの剪断応力を各側部で方向に応じて分担受圧させることができる。
本発明の方法において、拡大ブロック体の四辺に側部を互いに間隙を有して設けたものを使用することにより、溶接ジベルに加わる前後左右方向からの剪断応力をその方向に応じて各側部で分担受圧させることができる。
【００２６】
また、本発明のスタッド溶接構造によれば、前記のように溶接ジベルに加わる鋼とコンクリートの間の剪断方向の応力の一部が拡大ブロック体の側部で分担される。そのため前記のように鋼とコンクリートの間の剪断応力に対する強度を高めることができ、耐剪断応力を同じとすれば単位面積あたりの溶接ジベルの数をより少なくすることができる。
本発明の上記構造において、複数の溶接ジベルがＬ型鋼から形成された拡大ブロック体と共に被溶接材に所定間隔でスタッド溶接され、さらに溶接ジベルと拡大ブロックから立ち上がる側部との位置関係を個別にまたは群毎に異ならせてスタッド溶接することにより、溶接ジベルに加わる複数方向の剪断応力を各拡大ブロック体の側部で分担して受圧させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスタッド溶接法を説明するための一部破断斜視図。
【図２】図１の部品を使用してスタッド溶接する状態を示す部分断面図。
【図３】図２により溶接された溶接ジベル１と被溶接体８および側部７を有する拡大ブロック３の結合状態を部分的に切り欠いて示した正面図。
【図４】図３の状態にコンクリートを打設し、被溶接体８とコンクリート層１５の複合構造を形成した状態を示す部分断面図。
【図５】本発明の方法に使用される拡大ブロックの他の側部例の断面図。
【図６】本発明の方法に使用される拡大ブロックのさらに他の側部例の斜視図。
【図７】溶接された溶接ジベル１と被溶接体８および図６の側部７を有する拡大ブロック３の結合状態を部分的に切り欠いて示した正面図。
【図８】図９に示す溶接ジベルと図１０に示す溶接ジベルの剪断力とずれ変形との破壊特性を示す図。
【図９】従来一般的に使用されている普通の溶接ジベルの破断説明図。
【図１０】軸部の先端部が拡大された溶接ジベルの破断説明図。
【図１１】鋼−コンクリートブロックの剪断応力特性を試験する装置の正面図。
【図１２】図１１の側面図
【図１３】実施例と比較例における剪断荷重−変位量特性を示す図。
【符号の説明】
１ 溶接ジベル
２ 軸部
３ 拡大ブロック
４ 先端部
５ 頭部
６ 電極
７ 側部
８ 被溶接材
９ アークシールド体
９ａ 溝
１０ 底面
１１ 貫通孔
１２ 連結部
１３ 押圧リング
１４ 挿通孔
１５ コンクリート層
１６ 間隙
２０ コンクリートブロック
２１ 補強鉄筋
２２ 鋼板
２３ 基礎コンクリート
２４ スタッドボルト
２５ 引張部材
２６ 変位計[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for stud welding a metal welding dowel used for a connecting member between a steel part and a concrete part to a material to be welded, and a stud welding structure formed thereby.
[0002]
[Prior art]
When combining steel and concrete parts to form a steel-concrete composite structure, such as when forming a concrete floor on a building beam or forming a concrete slab on a bridge made of steel. Uses a welding dowel made of metal as a connecting member between the two.
A commonly used welding dowel is provided with a welding portion at the tip side of a rod-shaped shaft portion and an enlarged head portion at the opposite side, which is welded to a steel portion at predetermined intervals by stud welding. A steel-concrete composite structure is formed by planting and pouring concrete over it. The welding dowel welded into the steel part of such steel-concrete composite steel has a function of resisting the tensile stress in the axial direction of the concrete, and the shaft part resisting the shearing stress of the concrete. Has functions.
[0003]
However, the welding dowel in which the cross-sectional area of the shaft portion and the welded portion provided at the tip thereof are the same is problematic in that the support characteristics against shear stress are not sufficient. In the case of high-strength studs and high-strength concrete, in the case of conventional studs in which the cross-sectional area of the shaft portion and the welded portion to the steel beam were the same, there was a problem in the support characteristics against the shear characteristics. That is, even if high-strength studs and high-strength concrete are used, the strength between steel and concrete is high, but the sliding rigidity therebetween is not improved. Also, if the welded part of the stud is subjected to repeated bending deformation many times due to multiple repeated loads generated when passing through a car or train, even if the stud and concrete are high in strength, the fatigue resistance between them Had the problem of not improving.
The properties required for the shear stress of the welding dowel are that the welded portion to the steel portion is not broken and that the amount of fracture deformation of the shaft is sufficiently large. If the cross-sectional area of the shaft portion is increased in order to increase the rigidity of the shaft portion, the rigidity of the shaft portion is increased and the amount of destructive deformation is insufficient, which causes damage such as cracks in the concrete portion. Conversely, when the cross-sectional area of the shaft portion is reduced to increase the amount of fracture deformation, the fracture strength of the welded portion is reduced and the bonding strength between the steel portion and the concrete portion is reduced. Therefore, as a solution to such a problem, a welding dowel comprising a shaft portion and a welded portion having a larger cross-sectional area than the shaft portion has been proposed. (JP-A-5-156720)
[0004]
This is because, compared to a general welding dowel having the same diameter up to the tip as shown in FIG. 9, a shaft with a large tip as shown in FIG. 10 has a greater resistance to shear failure. It is a demonstration. That is, the welding dowel 1 (FIG. 9) having the same diameter up to the tip of the shaft portion is stud-welded to the material 8 to be welded, and the welding dowel 1 (FIG. 10) having a huge tip portion is stud-welded to the material 8 to be welded. In this case, their proof strength against shear fracture has characteristics as shown in FIG. In other words, according to the characteristics of the welding dowel of FIG. 9 shown by the dotted line and the characteristics of the welding dowel of FIG. 10 shown by the solid line, the initial rigidity of the welding dowel of FIG. Become. In addition, the shear failure becomes a form of tensile failure, and the failure mode becomes ductile fracture. Further, since the shear fracture is a tensile fracture and a fracture at the shaft portion, the fatigue resistance is also improved.
It is known that the shear deformation (deformability) at the time of destruction is substantially the same between the two. Further, in the range where the shearing force is small, the improved welding dowel of FIG. 10 also has a feature that the deformation amount is smaller. And in the welding dowel of FIG. 9, the shear fracture portion appears in the welded portion.
[0005]
However, while the weld dowel of FIG. 10 has improved support for shear stress, another problem arises that the weld dowel must be configured in a special shape. That is, a process for enlarging the middle of the shaft of the welding dowel is required, so that there is a disadvantage that a significant increase in cost cannot be avoided.
In order to solve this problem, the present applicant has previously proposed a stud welding method using a normal welding dowel and having the same effect as a welding dowel having an enlarged portion (Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-256457). In this method, a metal enlarged block provided with a through-hole is arranged on the surface of a material to be welded, and a welding portion of a welding dowel is inserted into the through-hole to perform stud welding.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention further improves the stud welding method proposed in JP-A-7-256457, and provides a new stud welding method capable of further increasing the strength against shear stress, and a stud welding structure formed by the method. The task is to do so.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In other words, the first invention of the present invention is to provide a metal enlarged block body provided with a through hole or a concave portion in which a thin plate portion having a thickness small enough to melt and penetrate during arc stud welding is provided. Is a method of stud welding by inserting the welded part of the welding dowel into the through hole or recess of the enlarged block body, and the metal side part which stands up from the side of the enlarged block body and then integrally rises Is provided.
According to this new method, the enlarged block body is stud-welded together with the welding dowel to a material to be welded, such as steel, so that the side portions integrated therewith are simultaneously connected to the material to be welded. Then, an enlarged block body having a welding dowel and a side portion is buried in concrete to form a steel-concrete composite structure, but the shear stress between the steel and the concrete is applied to the welding dowel and also to the side portion. Divisions. Therefore, the strength against the shear stress between the steel and the concrete can be increased as compared with the case where only the enlarged block is used, and the number of the welding dowels per unit area can be reduced when the shear resistance is the same. In addition, the shear stress is mainly handled by a portion integrally rising from the enlarged block body on the side portion, but it can also be secondarily handled by a portion from the enlarged block body to the tip.
[0008]
According to a second aspect of the present invention, there is provided the method of the first aspect, wherein the enlarged block body and the side portions are formed from L-shaped steel. By cutting the L-shaped steel to a predetermined length, a unit in which the enlarged block body and the side are integrated is easily formed.
According to a third aspect of the present invention, there is provided the method of the first aspect, wherein the enlarged block body is provided with sides on both sides thereof. According to this method, the shear stress applied to the welding dowel from the front and rear directions can be shared and received at each side in accordance with the direction.
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method according to the first aspect, wherein the enlarged block body is provided with side portions provided with gaps on four sides of the enlarged block body. According to this method, the shear stress applied to the welding dowel from the front, rear, left, and right directions can be shared by each side according to the direction.
[0009]
A fifth invention of the present invention is a stud welding structure formed by the method of the first invention. That is, a metal enlarged block having side portions integrally raised from the sides is disposed on the surface of the material to be welded, and is melted during through-holes provided in the enlarged block or arc stud welding. The welded dowel and enlarged block are fixed to the workpiece by inserting the welded part of the welded dowel with the shaft and the welded part into the recess where the thin plate part with a thickness to penetrate remains is stud welded. It is characterized by having been done.
According to this stud welding structure, a part of the stress in the shearing direction between the steel and concrete applied to the welding dowel as described above is shared by the side portions of the enlarged block body. Therefore, as described above, the strength against shear stress between steel and concrete can be increased, and the number of weld dowels per unit area can be reduced if the shear resistance is the same.
According to a sixth aspect of the present invention, in the above stud welding structure, a plurality of welding dowels are stud-welded to a material to be welded at a predetermined interval together with an enlarged block formed of an L-shaped steel, and further, shearing in multiple directions applied to the welding dowels Stud welding characterized in that the positional relationship between the welding dowel and the side rising from the enlarged block is varied individually or in groups so that the stress is shared by the sides of each enlarged block body and receives pressure. It is.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a partially cutaway perspective view for explaining the stud welding method of the present invention, and FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a state where stud welding is performed using the components of FIG. In these figures, first, each component used in the stud welding method of the present invention will be described. The welding dowel 1 for stud welding to the workpiece 8 is made by cutting or forging a metal material such as steel, for example. The shaft portion 2 and the welded portion 4 at the tip thereof are integrally formed in order in the axial direction. Further, a head 5 having a larger cross-sectional area is integrally formed at the end of the shaft portion 2 opposite to the welded portion 4. However, they can also be made to adhere to one another by welding. Further, a part other than the head 5 may be integrally formed by cutting, and the head 5 may be welded thereto.
[0011]
The shaft 2, the weld 4, and the head 5 of the welding dowel 1 are formed rotationally symmetric with respect to the axis. However, the cross section of the shaft 2 and the head 5 may be, for example, a rectangle such as a square, or a polygon such as a pentagon or a hexagon.
Further, the welded portion 4 has a truncated conical shape whose cross section decreases toward the tip, and a hemispherical recess is formed at the center of the tip, and a spherical electrode 6 made of, for example, aluminum is driven into the recess. It is fixed. The electrode formed of such a material can perform a flux action by melting and evaporating at the time of stud welding. The ratio between the diameter and the length of the shaft 3 in the welding dowel 1 is preferably about 1: 3.5 to 1:15. Further, the length of the welded portion 4 is set equal to or slightly longer than the thickness of the enlarged block body 7.
[0012]
The enlarged block body 3 is a relatively thin metal block having a square or rectangular planar shape, has a flat bottom surface 10, and is provided with a through hole 11 having a circular cross section at the center. Then, a metal side portion 7 is integrally raised from one side thereof, and both of them form an L-shaped portion. This L-shaped portion can be made by cutting the same material as the welding dowel 1, for example, a metal material such as steel, but the L-shaped steel is cut into a predetermined length and the bottom portion thereof, that is, the portion of the enlarged block body 3 is formed. By forming the through-holes 11, it can be made easily and at low cost. Further, since the inner corners of the L-shaped steel are generally formed as arc-shaped thick portions as shown in the figure, the resistance to deformation of the side portions due to shear stress can be increased.
[0013]
Instead of providing the through-hole 11 in the enlarged block body 3, a concave portion having a circular cross section that opens upward can be formed in the center of a relatively thin metal block having a flat top surface and a bottom surface. The recess is formed by leaving a bottom portion having a thickness enough to melt and penetrate during arc stud welding.
In addition, when the L-shaped steel is used, the thickness of the side part 7 and the thickness of the enlarged block body 3 are the same, but in the case of using another method, the thickness of the enlarged block body 3 and the side part 7 are the same. Different ones can be made arbitrarily.
In this example, the ratio between the diameter of the shaft portion 2 and the width of the enlarged block body 3 parallel to the side portion 7 is about 1: 2 to 1: 5, and the diameter of the shaft portion 2 and the enlarged portion orthogonal to the side portion 7 are set. The ratio of the width dimensions of the block body 3 is about 1: 2 to 1: 5.
[0014]
As shown in FIG. 2, it is preferable to dispose the arc shield body 9 so as to cover the upper part of the through hole 10 of the enlarged block body 3. The arc shield body 9 is made of a heat-resistant material such as a ceramic material, and is a cylindrical body or a ring-shaped body having an insertion hole 14 having a circular cross section through which a welding dowel is inserted and a step. A pressing ring 13 is disposed on the upper surface of the arc shield body 9, and a connecting portion 12 is vertically extended from the pressing ring 13, and a distal end portion of the connecting portion 12 is detachably attached to a stud welding machine (not shown) by a screw connection or the like. Be linked. The lower surface of the arc shield body 9 is in contact with the upper surface of the enlarged block body 3, and a plurality of grooves 9a are provided in the contact portion. The groove 9 a is provided for discharging a part of the gas generated during welding to the outside of the arc shield body 9.
In addition, in order to separate the arc shield body 9 from the welding dowel 1 after the stud welding, the arc shield body 9 may be broken by a hammer or the like, or the arc shield body 9 may be configured to be divided into a plurality of, for example, two around the axis. . However, when the head 5 of the welding dowel 1 is not larger than the shaft 2, such a dividing means is not required.
[0015]
In order to generate a large amount of shielding gas at the time of welding, a ring-shaped flux body can be mounted inside the through hole 11 of the enlarged block body 3. Such a flux body is made of, for example, aluminum or an alloy of aluminum and silicon as described in Japanese Patent Publication No. 40-22645, or a material obtained by adding iron thereto, and the like. Can be made by cutting or powdering them with a suitable binder. Furthermore, materials such as those described in JP-B-46-17565 (SiO 2 23 to 53%, Mn 16 to 45%, CaO 2 to 10%, CaF 2 2 to 10%, MgO 0.3 to 20%, Al 2 O 3 0.8 to 10%), and a material containing iron therein. The flux body has such a size that the inner peripheral wall does not generate an arc between the shaft portion 2 and the welded portion 4 of the welding dowel 1 during arc stud welding. In addition, the height of the flux body is set to a value lower than the height of the enlarged block body 3, and the volume is determined from the required generation amount of the shielding gas.
[0016]
Next, a method for welding a welding dowel using the above components will be described.
As shown in FIG. 2, first, the enlarged block body 3 with the side portion 7 is arranged on the surface of the portion to be stud-welded of the body 8 to be welded so that the bottom surface 10 thereof comes into contact. Further, the arc shield 9 is placed on the enlarged block 3. Then, the welding dowel 1 is gripped by a chuck of a stud welding machine connected to an arc stud welding machine body (not shown). Next, the tip 4 of the welding dowel 1 is inserted into the through hole 11 of the enlarged block 3 as shown, and the electrode 6 at the tip is brought into contact with the surface of the workpiece 8. At this time, the arc shield body 9 is pressed downward by the pressing ring 13.
[0017]
When the stud welding machine is started in the above state, first, a short period of time passes between the electrode 6 provided at the tip 4 of the welding dowel 1 and the contact portion of the welded body 8, and then the welding dowel 1 is automatically raised slightly. As a result, an arc discharge occurs in a gap generated between the tip portion 4 and the workpiece 8.
With the continuation of the arc discharge, the tip 4 of the welding dowel 1 is melted, and a molten pool is formed in the through hole 11.
Next, by lowering the welding dowel 1 and pressing it against the to-be-welded body 8, the welding dowel 1 and the three members of the enlarged block 3 having the to-be-welded body 8 and the side part 7 are integrally joined. This welding time is usually about 1 second and is completed in a very short time.
FIG. 3 is a front view showing a state in which the welding dowel 1 thus welded and the enlarged block 3 having the welded body 8 and the side portion 7 are connected. The tip portion 4 of the welding dowel 1 disappears by melting, and as a result, the shaft portion 2 of the welding dowel 1, the welded body 8 and the enlarged block 3 are integrated.
[0018]
FIG. 4 shows a case where concrete is poured into a place where the enlarged block 3 having the welding dowel 1 and the side part 7 is integrally joined to the work 8 as shown in FIG. It is a fragmentary sectional view showing the state where the structure was formed.
Generally, a steel-concrete composite structure is formed by embedding a plurality of welding dowels 1 as shown in FIG. 4 at predetermined intervals, but shear stress between steel and concrete is usually applied not only from one direction but from a plurality of directions. . On the other hand, when the enlarged block 3 and the side portion 7 are formed in the L-shaped portion in this way, the surface of the side portion 7 together with the welding dowel 1 becomes a pressure receiving surface of shear stress, and particularly the side portion 7 having a small deformation amount. The root, that is, the vicinity of the rising portion from the enlarged block 3 is a main pressure receiving portion. Then, for example, when a shear stress in the welding dowel 1 direction is applied to the concrete from the side 7 to the welding dowel and the side part 7 in a parallel relationship, the side part 7 receives more shear stress than the welding dowel 1, In the opposite direction, or in the case of shear stress from the orthogonal direction, the welding dowel 1 bears more shear stress than the side 7.
[0019]
Therefore, if the positional relationship between each welding dowel 1 in the concrete and the side part 7 rising from the enlarged block 3 is all the same, it is good when shear stress in the direction of the welding dowel 1 is applied from the side part 7 in the concrete, With respect to shear stress from the direction or the direction orthogonal thereto, the stress sharing force by the side portion 7 decreases. Therefore, it is preferable that the positional relationship between the welding dowel 1 and the side portion 7 rising from the enlarged block 3 be different individually or for each group (block). For example, when 100 units of the welding dowel 1 and the side part 7 are buried, if 25 units are buried in a positional relationship different from each other by 90 degrees, it is possible to cope with shear stress from all directions of front, rear, left and right.
[0020]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing another example of the enlarged block used in the method of the present invention. In this example, a pair of side parts 7 are integrally raised on both sides of the enlarged block body 3, and the cross section is formed in a U-shape as a whole as shown in the figure. A through hole 11 is provided in the center of the enlarged block body 3. By adopting such a structure, any one of the side portions 7 can receive the shear stress applied to the welding dowel from the front, rear, left and right two directions more.
[0021]
FIG. 6 is a perspective view showing another example of the side of the enlarged block used in the method of the present invention. In this example, the side portions 7 are integrally raised on all sides of the enlarged block body 3 and a gap 16 is provided between them. This gap is provided for allowing concrete to flow into the interior surrounded by the side portion 7 when the enlarged block 3 and the like are buried in concrete together with the welding dowel 1. A through hole 11 is provided in the center of the enlarged block body 3. With such a structure, any one of the side parts 7 can receive the shearing stress applied to the welding dowel in the front, rear, left and right directions more.
FIG. 7 is a front view showing a partially cut-off state of the connection between the welding dowel 1 and the workpiece 8 to be welded using the enlarged block 3 having the side portions 7 as shown in FIG. The shaft 2 of the welding dowel 1 is integrated with the welded body 8 and the enlarged block 3.
[0022]
【Example】
Using the enlarged block 3 having the side portions 7 as shown in FIG. 1, two sets of the welding dowel 1 stud-welded on a steel plate to be welded are made, and the heads of these welding dowels 1 are opposed to each other. The sets were faced to each other at predetermined intervals, and a plurality of reinforcing bars were interposed at predetermined positions on the foundation concrete, and concrete was flowed into the concrete to form a steel-concrete composite structural block. Next, the block was set in the test device shown in FIG. 11, and a relationship between the load and the displacement was examined by applying a shear load between the steel plate and the concrete. FIG. 12 is a side view of the test apparatus of FIG.
In these figures, 20 is a concrete block, 21 is a reinforcing steel bar, 22 is a steel plate as a member to be welded, 23 is basic concrete, 24 is a stud bolt, 25 is a tension member, and 26 is a displacement meter.
The welding dowel 1 used is a carbon steel wire for cold heading with a head, and has a stud shaft diameter of 16 mm, a length of 160 mm, a tensile strength of 41 to 56 kg f / mm 2 , and an enlarged block 3 is a lightweight structural steel for general structures. Angling material of 50 mm × 50 mm × 3.2 mm is cut to a length of 50 mm, and has a tensile strength of 41 to 56 kgf / mm 2 . The steel plate was a rolled steel material for a welded structure having a thickness of 9 mm and a tensile strength of 49 to 60 kg f / mm 2 , and the concrete was prepared by mixing an aggregate having a diameter of 10 mm into ordinary Portland cement.
[0023]
The test was performed by applying an external force to the concrete block 20 from above as shown in FIG. 12 and pulling the tensile member 25 connected to the steel plate 22 upward. For comparison, a welded dowel 1 was stud-welded to a steel plate using a magnified block 3 similar to that of the above embodiment except that it did not have a side portion, and a steel-concrete composite structural block was prepared. For a steel-concrete composite structural block produced by stud welding the welding dowel 1 directly to a steel plate 22 without using a steel plate, a load and displacement are obtained by applying a shear load between the steel plate and the concrete using a similar test device. The relationship was investigated. These results are shown in FIG. In the drawing, A is the result when the enlarged block having the side portion of FIG. 1 (of the present invention) is used, B is the result when the enlarged block without the side portion is used, and C is the result when the enlarged block is not used. .
From these results, the welding stud welded to the steel plate using the enlarged block having the side portion as in the present invention has a significantly increased strength against shear stress compared to the stud welded by the conventional method. You can see what you can do.
[0024]
【The invention's effect】
According to the stud welding method of the present invention configured as described above, despite the effect of using the enlarged block, that is, despite the structure of the simple welding dowel, the welded portion is not destroyed for the expected maximum shear stress. since the initial stiffness is high and breakage position is a shaft, for a number of repeated load (e.g., 10 8 order), an effect that fatigue strength greatly improves the on which it is maintained, the welding dowel The shear stress to be applied can also be shared on the sides integrally provided on the enlarged block. Therefore, the overall strength against shear stress can be further increased. By simply stud-welding such an enlarged block to the work piece together with the welding shovel, the side portions that are integrally raised therefrom can be simultaneously fixed to the work piece.
The steel-concrete composite structure in which the stud welding structure formed by this method is embedded has a significantly higher strength against shear stress between steel and concrete, and when the shear stress is set to the same level as before, In addition, the number of welding dowels per unit area can be reduced.
[0025]
In the method of the present invention, by using an L-shaped portion composed of side portions and an enlarged block, the structure can be easily formed by cutting the L-shaped steel to a predetermined length.
In the method of the present invention, by using the enlarged block body having the sides provided on both sides thereof, the shearing stress applied to the welding dowel from the front and rear two directions can be shared by each side depending on the direction. it can.
In the method of the present invention, by using the enlarged block body having four sides provided with a gap between each other, the shearing stress applied to the welding dowel from the front, rear, left and right directions is changed according to the direction. The pressure can be shared.
[0026]
Further, according to the stud welding structure of the present invention, as described above, a part of the stress in the shearing direction between the steel and concrete applied to the welding dowel is shared by the side portions of the enlarged block body. Therefore, as described above, the strength against shear stress between steel and concrete can be increased, and the number of weld dowels per unit area can be reduced if the shear resistance is the same.
In the above-mentioned structure of the present invention, a plurality of welding dowels are stud-welded to a material to be welded at predetermined intervals together with an enlarged block formed of L-shaped steel, and the positional relationship between the welding dowel and a side rising from the enlarged block is individually determined. Alternatively, by performing stud welding differently for each group, the shearing stress applied to the welding dowel in multiple directions can be shared and received by the side portions of each enlarged block body.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially cutaway perspective view for explaining a stud welding method of the present invention.
FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a state where stud welding is performed using the component of FIG. 1;
FIG. 3 is a front view showing a partially cut-out state of a connection between the welding dowel 1 welded according to FIG. 2 and an enlarged block 3 having a welded body 8 and a side portion 7;
FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing a state in which concrete is poured into the state shown in FIG. 3 to form a composite structure of a welded body 8 and a concrete layer 15;
FIG. 5 is a cross-sectional view of another example of the enlarged block used in the method of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view of still another side example of the enlarged block used in the method of the present invention.
7 is a front view showing a partially cut-away view of a welded dowel 1 and a welded body 8 and an enlarged block 3 having a side portion 7 shown in FIG.
FIG. 8 is a view showing the breaking characteristics of the shearing force and the shear deformation of the welding dowel shown in FIG. 9 and the welding dowel shown in FIG.
FIG. 9 is an exploded view of a conventional welding dowel commonly used in the past.
FIG. 10 is a cutaway explanatory view of a welding dowel in which a tip of a shaft is enlarged.
FIG. 11 is a front view of an apparatus for testing the shear stress characteristics of a steel-concrete block.
FIG. 12 is a side view of FIG. 11; FIG. 13 is a view showing a shear load-displacement amount characteristic in an example and a comparative example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Welding dowel 2 Shaft 3 Enlarged block 4 Tip 5 Head 6 Electrode 7 Side 8 Material to be welded 9 Arc shield 9a Groove 10 Bottom surface 11 Through hole 12 Connecting portion 13 Press ring 14 Insert hole 15 Concrete layer 16 Gap 20 Concrete block 21 Reinforcing steel bar 22 Steel plate 23 Foundation concrete 24 Stud bolt 25 Tensile member 26 Displacement meter