JP5846072B2 - 高強度鋼管用溶接継手、高強度鋼管用溶接継手の製造方法、高強度鋼管の接合方法および高強度鋼管の接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、高強度鋼管用継手、当該継手の製造方法、高強度鋼管の接合方法および接合構造に関する。

一般に高強度鋼管の全強耐力を伝達する溶接継手としては、高強度鋼管より強度の高い溶接材料を用いる、いわゆるオーバーマッチング継手が採用されている。しかし、８００Ｎ〜１０００Ｎ級の超高強度材からなる高強度鋼管の強度を上回るオーバーマッチング継手を実現するには、非常に高価な高強度の溶接材料を用いることになる。
また、このような高強度の溶接材料を用いる溶接では、予後熱管理を厳密に行う必要があるため、現場溶接が必要とされる建築構造物への適用は大きく制限される。また、溶接入熱や溶接パス間温度の制限が、低強度の溶接材料より厳しくなるため、作業効率も低下する。

一方、溶接金属の強度を高強度鋼管の強度より低くする、いわゆるアンダーマッチング継手は、高強度の溶接材料を用いるオーバーマッチング継手に比較して、低コストで、かつ予後熱管理や溶接入熱・パス間温度等の条件を緩和した溶接を行えるメリットがある。
アンダーマッチング用溶接金属の一例として特許文献１に記載のものが知られている。このアンダーマッチング用溶接金属は、硬度（Ｈｖ）が２１０以下で、かつ溶接金属の結晶粒径が円相当径で８μｍ以下であることを特徴としている。

特開２００５−３０５５１４公報

ところで、前記特許文献１には、溶接金属の硬さや結晶粒径等は開示されているが、このような、高強度鋼管より強度の低い溶接金属を用いて高強度鋼管どうしを接合する際に、どのような溶接継手とするか、また、どのような接合方法、接合構造とするかについては開示されていない。

そこで、本発明は、高強度鋼管どうしを当該高強度鋼管より強度の低い溶接金属によって容易かつ確実に溶接して接合できる高強度鋼管用溶接継手、高強度鋼管用溶接継手の製造方法、高強度鋼管の接合方法および高強度鋼管の接合構造を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の高強度鋼管用溶接継手は、高強度鋼管の端部に形成されて、当該高強度鋼管を他の高強度鋼管に軸方向に溶接して接合するための高強度鋼管用溶接継手であって、
前記高強度鋼管の端部は、その内周面に、当該高強度鋼管より強度の低い補強リングが前記高強度鋼管より強度の低い溶接金属によって溶接された状態となっており、
前記高強度鋼管の端部側に、前記高強度鋼管の端部の外周面から前記補強リングに向けて少なくとも前記溶接金属まで至る環状の傾斜面が先細りとなるように形成されていることを特徴とする。

本発明においては、高強度鋼管用溶接継手を有する一方の高強度鋼管を他方の高強度鋼管に軸方向に接合する場合に、一方の高強度鋼管と他方の高強度鋼管とを、一方の高強度鋼管の高強度鋼管用溶接継手の傾斜面と他方の高強度鋼管の端面とが対向するようにして、配置することによって、前記傾斜面と端面との間に開先部を設けることができる。
したがって、この開先部に高強度鋼管より強度の低い溶接金属を充填することによって、当該溶接金属が一方の高強度鋼管の傾斜面と他方の高強度鋼管の端面との間および少なくとも補強リングを溶接している溶接金属まで至るので、当該溶接金属によって、両高強度鋼管および少なくとも補強リングの溶接金属を一体的に溶接できる。したがって、両高強度鋼管を容易かつ確実に溶接して接合することができる。

このように高強度鋼管より強度の低い溶接金属を用いることが可能となり、予後熱処理の省略やパス間温度の制限の緩和が可能になる。
さらに、補強リングは高強度鋼管より強度が低いため、加工や高強度鋼管への溶接が容易である。
加えて、補強リングを有する高強度鋼管に、予め工場において、前記傾斜面を形成しておくことによって、現場では接合すべき高強度鋼管どうしを対向または突き合わせるだけで、開先部が形成される。したがって、現場での開先加工が必要なく、その分施工の手間が省ける。

本発明の高強度鋼管用溶接継手の製造方法は、
前記高強度鋼管の端部の内周面に、当該高強度鋼管より強度の低い補強リングを、その一方の端面が前記高強度鋼管の端面とほぼ面一になるようにして、前記高強度鋼管より強度の低い溶接金属によって溶接し、
次に、前記高強度鋼管の端部側を、当該高強度鋼管の端部外周面から前記補強リング側に向けて少なくとも前記溶接金属まで至るようにして、切り落とすことによって、前記高強度鋼管の端部側に、前記環状の傾斜面を形成することを特徴とする。

本発明においては、補強リングが溶接された高強度鋼管の端部側を切り落とすことによって、高強度鋼管の端部側に、前記環状の傾斜面を形成することができるので、容易に高強度鋼管用溶接継手を製造できる。

また、本発明の高強度鋼管の接合方法は、高強度鋼管用溶接継手を有する一方の高強度鋼管と他方の高強度鋼管とを軸方向に溶接して接合する高強度鋼管の接合方法であって、
前記一方の高強度鋼管と前記他方の高強度鋼管とを、前記一方の高強度鋼管の前記高強度鋼管用溶接継手の前記傾斜面と前記他方の高強度鋼管の端面とが対向するようにして、配置することによって、前記傾斜面と前記端面との間に開先部を設け、
次に、この開先部に前記高強度鋼管より強度の低い溶接金属を充填することによって、前記両高強度鋼管を溶接して接合することを特徴とする。

本発明においては、開先部に高強度鋼管より強度の低い溶接金属を充填することによって、当該溶接金属が一方の高強度鋼管の傾斜面と他方の高強度鋼管の端面との間および少なくとも補強リングを溶接している溶接金属まで至るので、当該溶接金属によって、両高強度鋼管および少なくとも補強リングの溶接金属を一体的に溶接できる。したがって、両高強度鋼管を容易かつ確実に溶接して接合することができる。

また、本発明の上記構成において、前記一方の高強度鋼管と他方の高強度鋼管とを、前記一方の高強度鋼管の前記高強度鋼管用溶接継手の前記傾斜面と前記他方の高強度鋼管の端面とが対向するようにして、配置するに際し、
予め前記他方の高強度鋼管の端部の内周面に、当該高強度鋼管より強度の低い補強リングをその一方の端面が前記他方の高強度鋼管の端面とほぼ面一になるようにして、前記他方の高強度鋼管より強度の低い溶接金属によって溶接しておくのが好ましい。

このような構成によれば、一方の高強度鋼管と他方の高強度鋼管とを、前記一方の高強度鋼管の前記高強度鋼管用溶接継手の前記傾斜面と前記他方の高強度鋼管の端面とが対向するようにして、配置することによって、前記傾斜面と前記端面との間に開先部を設けた場合に、この開先部の奥側は両高強度鋼管に溶接された補強リングによって閉塞されるので、開先部の奥まで溶接金属を行き渡らせて溶接をより確実なものとすることができる。

また、本発明の高強度鋼管の接合構造は、高強度鋼管用溶接継手を有する一方の高強度鋼管と他方の高強度鋼管とを軸方向に溶接して接合してなる高強度鋼管の接合構造であって、
前記一方の高強度鋼管と前記他方の高強度鋼管とが、前記一方の高強度鋼管の前記高強度鋼管用溶接継手の前記傾斜面と前記他方の高強度鋼管の端面とが対向するようにして、配置されることによって、前記傾斜面と前記端面との間に開先部が設けられており、
前記両高強度鋼管は、前記開先部に充填された前記高強度鋼管より強度の低い溶接金属によって接合されていることを特徴とする。

本発明においては、開先部に高強度鋼管より強度の低い溶接金属を充填することによって、当該溶接金属が一方の高強度鋼管の傾斜面と他方の高強度鋼管の端面との間および少なくとも補強リングを溶接している溶接金属まで至るので、当該溶接金属によって、両高強度鋼管および少なくとも補強リングの溶接金属を一体的に溶接できる。したがって、両高強度鋼管を容易かつ確実に溶接して接合することができる。

また、本発明の構成において、前記他方の高強度鋼管の端部は、その内周面に、当該高強度鋼管より強度の低い補強リングが、その一方の端面が前記他方の高強度鋼管の端面とほぼ面一になるようにして、前記他方の高強度鋼管より強度の低い溶接金属によって溶接された状態となっており、
前記一方の高強度鋼管に溶接されている前記補強リングと、前記他方の高強度鋼管に溶接されている前記補強リングとが互いに当接していることが好ましい。

このような構成によれば、前記開先部の奥側は両高強度鋼管に溶接された補強リングによって閉塞されるので、開先部の奥まで溶接金属を行き渡らせて溶接をより確実なものとすることができる。

本発明によれば、高強度鋼管どうしを当該高強度鋼管より強度の低い溶接金属によって容易かつ確実に溶接して接合できる。したがって、高強度鋼管より強度の低い溶接金属を用いることが可能となり、予後熱処理の省略やパス間温度の制限の緩和が可能になる。

本発明の実施の形態に係る高強度鋼管用溶接継手の製造方法の工程を説明するためのもので、高強度鋼管に補強リングを挿入する前の状態を示す断面図である。 同、高強度鋼管内に補強リングを挿入した状態示す断面図である。 同、高強度鋼管に補強リングを溶接した状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る高強度鋼管用溶接継手の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る高強度鋼管用溶接継手を示す他の例断面図である。 本発明の実施の形態に係る高強度鋼管の接合方法の工程を説明するためのもので、高強度鋼管どうしを対向して配置した状態を示す断面図である。 同、高強度鋼管どうしを、その補強リングどうしを付き当てて配置した状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る高強度鋼管の接合構造の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る高強度鋼管の接合構造の他の例を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
まず、本発明に係る高強度鋼管用溶接継手の構成について説明する。
図１Ｄは、高強度鋼管用溶接継手（以下、溶接継手と略称する。）の一例を示す断面図である。この溶接継手１０は、高強度鋼管２０の端部側に形成されて、当該高強度鋼管２０を後述する他の高強度鋼管２５に軸方向に溶接して接合するためのものである。なお、高強度鋼管２０，２５は、ビル等の構造物の柱として使用されるもので、実際は上下に長尺な鋼管であるが、図１Ａ〜図１Ｅおよび図２Ａ〜図２Ｄではその端部のみを記載している。

高強度鋼管２０は円筒状に形成されており、その強度（引張強度）は７８０〜１１００ＭＰａ程度になっている。
高強度鋼管２０の端部（図１Ｄにおいて上端部）の内周面には、当該高強度鋼管２０より強度の低い補強リング３０が高強度鋼管２０より強度の低い溶接金属４０によって前記高強度鋼管２０と同軸に溶接されている。なお、補強リング３０の強度（引張強度）は４９０〜７４０ＭＰａ程度になっており、溶接金属４０の強度は４９０〜７８０ＭＰａ程度になっている。

高強度鋼管２０の端部側には、当該高強度鋼管２０の端部の外周面から補強リング３０に向けて溶接金属４０を越えて補強リング３０の上端まで至る環状の傾斜面１１が形成されている。
この傾斜面１１は、高強度鋼管２０の上端の傾斜面２０ａ、溶接金属４０の上部に形成された傾斜面４０ａ、補強リング３０の上端部に形成された傾斜面３０ａによって構成されている。

前記のような溶接継手１０を有する高強度鋼管２０は以下のようにして製造されている。
すなわちまず、図１Ａに示すように、補強リング３０を用意しておく。この補強リング３０は円錐台状のリングであり、高強度鋼管２０より強度の低い材料で形成されている。また、この補強リング３０の最大外径の直径は、高強度鋼管２０の内径とほぼ等しいか若干小さくなっている。

次に、図１Ｂに示すように、前記補強リング３０を高強度鋼管２０の内側に、その一方の端面（図１Ａにおいて上端面）が高強度鋼管２０の端面（図１Ａにおいて上端面）とほぼ面一になるように、かつ前記高強度鋼管２０と同軸になるようにして配置する。これによって、高強度鋼管２０の内周面と、補強リング３０の外周面との間には、断面三角形状でかつ環状の溝１２が形成される。

なお、高強度鋼管２０の肉厚（板厚）をｔ、補強リング３０の板厚（補強リング３０の両端面間の距離）をｔｂ、高強度鋼管２０の降伏強さをＦ、補強リング３０の降伏強さをＦｂとすると、Ｆ・ｔ≦Ｆｂ（ｔ＋ｔｂ）を満たすように、ｔ、ｔｂ、Ｆ、Ｆｂが設定されている。

次に、図１Ｃに示すように、前記溝１２に溶接金属４０を充填して高強度鋼管２０の内周面に補強リング３０を溶接して固定する。この溶接はアーク溶接等によって行い、溶接材料としては、高強度鋼管２０より強度の低い溶接材料を使用する。

次に、図１Ｄに示すように、高強度鋼管２０の端部側を、高強度鋼管２０の端部外周面から補強リング３０の上端面側に向けて溶接金属４０を越えて補強リング３０の上端面まで至るようにして、切り落とす。
例えば、図１Ｃに二点鎖線で示す切断線Ｃ１で高強度鋼管２０、溶接金属４０、補強リング３０の上部を一体的に切り落とす。切断線Ｃ１は高強度鋼管２０の外周の所定の位置から補強リング３０の内周上端を結ぶように設定されている。
このように、切断線Ｃ１によって高強度鋼管２０の端部側を切り落とすことによって、高強度鋼管２０の端部側（図１Ｄにおいて上端部側）に、前記環状の傾斜面１１を形成する。

このように補強リング３０が溶接された高強度鋼管２０の端部側を切り落とすことによって、高強度鋼管２０の端部側に、環状の傾斜面１１を形成することができるので、容易に溶接継手１０を製造できる。

なお、本実施の形態では、補強リング３０が溶接された高強度鋼管２０の端部側を切断線Ｃ１で切り落としたが、図１Ｃに示すように、切断線Ｃ２で切り落としてもよい。つまり、高強度鋼管２０の端部側を、高強度鋼管２０の端部外周面から補強リング側に向けて溶接金属４０の上面に至るようにして切り落としてもよい。
このようにして切り落とすことによって、高強度鋼管２０の端部側に図１Ｅに示すような傾斜面１４を有する溶接継手１５を製造できる。なお傾斜面１４は、高強度鋼管２０の先端の傾斜面２０ｂと溶接金属４０の上部に形成された傾斜面４０ｂとによって構成されている。

次に、本発明に係る高強度鋼管の接合方法および接合構造について説明する。
本実施の形態では、前記溶接継手１０を有する一方の高強度鋼管２０と、他方の高強度鋼管２５とを軸方向に以下のようにして接合している。

すなわちまず、図２Ａに示すように、予め他方の高強度鋼管２５の端部（図２Ａにおいて下端部）の内周面に、当該高強度鋼管２５より強度の低い補強リング３５をその一方の端面（図２Ａにおいて下端面）が他方の高強度鋼管２５の下端面とほぼ面一になるようにして、他方の高強度鋼管２５より強度の低い溶接金属４０によって溶接しておく。なお、高強度鋼管２５の強度（引張強度）は、前記高強度鋼管２０とほぼ等しい値に設定されている。

次に、一方の高強度鋼管２０と他方の高強度鋼管２５とを、一方の高強度鋼管２０の溶接継手１０の傾斜面１１と他方の高強度鋼管２５の端面２５ａとが対向するようにして、配置する。
次に、図２Ｂに示すように、両高強度鋼管２０，２５の補強リング３０，３５どうしを同軸にして付き当てることによって、つまり、補強リング３０，３５どうしを当接させることによって、一方の高強度鋼管２０の傾斜面１１と他方の高強度鋼管２５の下端面２５ａとの間に開先部４５を設ける。

次に、図２Ｃに示すように、前記開先部４５に、高強度鋼管２０，２５より強度の低い溶接金属５０を充填することによって、前記両高強度鋼管２０，２５を溶接して接合する。この溶接は、現場においてアーク溶接等によって行う。溶接金属５０の強度は４９０〜７８０ＭＰａ程度になっている。

このようにして接合された高強度鋼管２０，２５では、一方の高強度鋼管２０の溶接継手１０の傾斜面１１と他方の高強度鋼管２５の端面２５ａとの間に開先部４５が設けられ、この開先部４５に前記溶接金属５０が充填された接合構造となる。

このように、開先部４５に高強度鋼管２０，２５より強度の低い溶接金属５０を充填することによって、当該溶接金属５０が一方の高強度鋼管２０の傾斜面１１と他方の高強度鋼管２５の端面２５ａとの間、補強リング３０，３５間、溶接金属４０，４０間まで至るので、当該溶接金属５０によって、両高強度鋼管２０，２５、補強リング３０，３５および溶接金属４０，４０を一体的に溶接できる。したがって、両高強度鋼管２０，２５を容易かつ確実に溶接して接合することができる。

このように高強度鋼管２０，２５より強度の低い溶接金属５０を用いることが可能となり、予後熱処理の省略やパス間温度の制限の緩和が可能になる。
さらに、補強リング３０，３５は高強度鋼管２０，２５より強度が低いため、加工や高強度鋼管２０，２５への溶接が容易である。
加えて、補強リング３０を有する高強度鋼管２５に、予め工場において、傾斜面１１を形成しておくことによって、現場では接合すべき高強度鋼管２０，２５どうしを対向させて突き合わせるだけで、開先部４５が形成される。したがって、現場での開先加工が必要なく、その分施工の手間が省ける。

なお、本実施の形態では、高強度鋼管２０，２５を溶接して接合するに際し、予め他方の高強度鋼管２５の端部の内周面に、補強リング３５を溶接金属４０によって溶接しておいてが、この高強度鋼管２５に補強リング３５を溶接しておかなくてもよい。
この場合、図２Ｄに示すように、一方の高強度鋼管２０と他方の高強度鋼管２５とが、一方の高強度鋼管２０の溶接継手１０の傾斜面１１と他方の高強度鋼管２５の端面２５ａとが対向するようにして、配置されることによって、傾斜面１１と端面２５ａとの間に開先部４６が設けられ、この開先部４６に高強度鋼管２０，２５より強度の低い溶接金属５０が充填されることによって、両高強度鋼管２０，２５が溶接されて接合される。
したがって、溶接金属５０は一方の高強度鋼管２０の傾斜面１１と他方の高強度鋼管２５の端面２５ａとの間、溶接金属４０および補強リング３０の上面まで至るので、当該溶接金属５０によって、両高強度鋼管２０，２５、補強リング３０および溶接金属４０を一体的に溶接できる。したがって、この場合でも、両高強度鋼管２０，２５を容易かつ確実に溶接して接合することができる。

１０，１５ 高強度鋼管用溶接継手
１１，１４ 傾斜面
２０，２５ 高強度鋼管
３０，３５ 補強リング
４５，４６ 開先部
４０ 溶接金属
５０ 溶接金属

Claims (6)

1. 高強度鋼管の端部に形成されて、当該高強度鋼管を他の高強度鋼管に軸方向に溶接して接合するための高強度鋼管用溶接継手であって、
   前記高強度鋼管の端部は、その内周面に、当該高強度鋼管より強度の低い補強リングが前記高強度鋼管より強度の低い溶接金属によって溶接された状態となっており、
   前記高強度鋼管の端部側に、前記高強度鋼管の端部の外周面から前記補強リングに向けて少なくとも前記溶接金属まで至る環状の傾斜面が先細りとなるように形成されていることを特徴とする高強度鋼管用溶接継手。
2. 請求項１に記載の高強度鋼管用溶接継手を製造する方法であって、
   前記高強度鋼管の端部の内周面に、当該高強度鋼管より強度の低い補強リングを、その一方の端面が前記高強度鋼管の端面とほぼ面一になるようにして、前記高強度鋼管より強度の低い溶接金属によって溶接し、
   次に、前記高強度鋼管の端部側を、当該高強度鋼管の端部外周面から前記補強リング側に向けて少なくとも前記溶接金属まで至るようにして、切り落とすことによって、前記高強度鋼管の端部側に、前記環状の傾斜面を形成することを特徴とする高強度鋼管用溶接継手の製造方法。
3. 請求項１に記載の高強度鋼管用溶接継手を有する一方の高強度鋼管と他方の高強度鋼管とを軸方向に溶接して接合する高強度鋼管の接合方法であって、
   前記一方の高強度鋼管と前記他方の高強度鋼管とを、前記一方の高強度鋼管の前記高強度鋼管用溶接継手の前記傾斜面と前記他方の高強度鋼管の端面とが対向するようにして、配置することによって、前記傾斜面と前記端面との間に開先部を設け、
   次に、この開先部に前記高強度鋼管より強度の低い溶接金属を充填することによって、前記両高強度鋼管を溶接して接合することを特徴とする高強度鋼管の接合方法。
4. 前記一方の高強度鋼管と他方の高強度鋼管とを、前記一方の高強度鋼管の前記高強度鋼管用溶接継手の前記傾斜面と前記他方の高強度鋼管の端面とが対向するようにして、配置するに際し、
   予め前記他方の高強度鋼管の端部の内周面に、当該高強度鋼管より強度の低い補強リングをその一方の端面が前記他方の高強度鋼管の端面とほぼ面一になるようにして、前記他方の高強度鋼管より強度の低い溶接金属によって溶接しておくことを特徴とする請求項３に記載の高強度鋼管の接合方法。
5. 請求項１に記載の高強度鋼管用溶接継手を有する一方の高強度鋼管と他方の高強度鋼管とを軸方向に溶接して接合してなる高強度鋼管の接合構造であって、
   前記一方の高強度鋼管と前記他方の高強度鋼管とが、前記一方の高強度鋼管の前記高強度鋼管用溶接継手の前記傾斜面と前記他方の高強度鋼管の端面とが対向するようにして、配置されることによって、前記傾斜面と前記端面との間に開先部が設けられており、
   前記両高強度鋼管は、前記開先部に充填された前記高強度鋼管より強度の低い溶接金属によって接合されていることを特徴とする高強度鋼管の接合構造。
6. 前記他方の高強度鋼管の端部は、その内周面に、当該高強度鋼管より強度の低い補強リングが、その一方の端面が前記他方の高強度鋼管の端面とほぼ面一になるようにして、前記他方の高強度鋼管より強度の低い溶接金属によって溶接された状態となっており、
   前記一方の高強度鋼管に溶接されている前記補強リングと、前記他方の高強度鋼管に溶接されている前記補強リングとが互いに当接していることを特徴とする請求項５に記載の高強度鋼管の接合構造。

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