JP6741198B2

JP6741198B2 - 既設鋼構造物の亀裂補修方法

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Publication number: JP6741198B2
Application number: JP2016176570A
Authority: JP
Inventors: 大記置田; 幸太郎猪瀬; 直幸松本
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2016-09-09
Filing date: 2016-09-09
Publication date: 2020-08-19
Anticipated expiration: 2036-09-09
Also published as: JP2018040211A

Description

本発明は、橋梁や建築物等の既設鋼構造物の構造物鋼材に生じた亀裂の補修に用いるのに好適な既設鋼構造物の亀裂補修方法に関するものである。

橋梁や建築物等の構造物鋼材には、築年数が経過した既設鋼構造物に広く採用されている、いわゆる旧構造物鋼材があり、この旧構造物鋼材には、多くの炭素に加えて硫黄及びリンが含まれている。

この旧構造物鋼材は、溶接を施すと溶接欠陥（高温割れ）が生じ易いことから、この旧構造物鋼材に亀裂が生じた場合には、溶接による溶融補修を行うことができず、亀裂の補修には、例えば、特許文献１に記載された亀裂補修方法に頼らざるを得ないのが現状である。

この亀裂補修方法において、例えば、橋梁の主桁に用いられるＩ型鋼の腹板に生じた亀裂を補修する場合には、亀裂の進行を止めるためのストップホールを亀裂の端部に穿った後、腹板の表裏面に亀裂を覆うようにして一対の当て板を配置して、これらの当て板を複数個のボルト及びナットによってＩ型鋼の腹板に取り付けることで、亀裂を補修するようにしている。

特開２００８−０５７２４９号公報

ところが、上記した亀裂補修方法では、一対の当て板に加えてボルト及びナットを複数個ずつ用いる分だけ、補修前よりも重量が増してしまう。
また、上記した亀裂補修方法では、ストップホールとは別に、Ｉ型鋼の腹板及び一対の当て板に複数のボルト挿通孔を形成する必要があることから、この孔開け作業が煩雑なものとなっているという問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっている。

本発明は、上記したような従来の課題を解決するためになされたもので、既設鋼構造物の構造物鋼材が多くの炭素、硫黄、リンを含んでいる場合であったとしても、既設鋼構造物の構造物鋼材に生じている亀裂を既設鋼構造物の重量増加を招いたり煩雑な作業を伴ったりする補修方法を用いずに、溶接欠陥を生じさせることなく亀裂を溶融補修することが可能である既設鋼構造物の亀裂補修方法を提供することを目的としている。

本発明の第１の態様は、既設鋼構造物の構造物鋼材に生じた亀裂を補修する亀裂補修方法であって、化学組成が認識された前記既設鋼構造物の前記構造物鋼材から採取した試験鋼材又は該構造物鋼材と同じ化学組成の試験鋼材に対して溶加材を用いた試験補修用溶接を行う試験施工工程と、前記試験施工工程で用いた前記溶加材の化学組成及び溶接部における前記溶加材の添加量に起因する溶接欠陥の発生の危険性を指標に基づいて把握する溶加材評価工程と、前記既設鋼構造物の前記構造物鋼材に対する補修用溶接で用いる補修用溶加材及び該補修用溶加材の添加量を前記溶加材評価工程で把握した評価結果に基づいて決定する溶加材仕様決定工程と、前記既設鋼構造物の前記構造物鋼材に生じた前記亀裂の部分に対して、前記溶加材仕様決定工程で決めた前記補修用溶加材を決めた添加量で送給しつつ前記補修用溶接を行う補修用溶接工程を経る構成としている。

本発明の第２の態様は、前記試験補修用溶接及び前記補修用溶接がいずれもレーザ溶接である構成としている。

本発明の第３の態様は、前記既設鋼構造物の前記構造物鋼材の化学組成を調べる組成認識工程を含む構成としている。

本発明の第４の態様において、前記溶加材仕様決定工程では、前記試験施工工程で用いた前記溶加材とは化学組成が異なるものを補修用溶加材として採用するか、前記試験施工工程で用いた前記溶加材と同じものを前記試験施工工程とは異なる量で添加するか、前記試験施工工程で用いた前記溶加材とは化学組成が異なる前記補修用溶加材を前記試験施工工程とは異なる量で添加するかのいずれかを決定する構成としている。

本発明に係る既設鋼構造物の亀裂補修方法によれば、亀裂が生じている既設鋼構造物の構造物鋼材が、多くの炭素、硫黄、リンを含む旧構造物鋼材であったとしても、既設鋼構造物の重量増加を招いたり煩雑な作業を伴ったりする補修方法を用いずに、溶接欠陥を生じさせることなく亀裂を溶融補修することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施形態に係る既設鋼構造物の亀裂補修方法で用いる補修用レーザ溶接装置を概略的に説明する模式図である。本発明の一実施形態に係る既設鋼構造物の亀裂補修方法の工程説明図である。本発明の一実施形態に係る既設鋼構造物の亀裂補修方法における試験施工工程で作成した母材比率及び溶加材比率を算出するための経年模擬試験体（試験鋼材）の断面説明図である。本発明の一実施形態に係る既設鋼構造物の亀裂補修方法の溶加材評価工程で用いる指標（ＨＣＳ値）と溶接欠陥発生率との関係を説明するグラフである。本発明の一実施形態に係る既設鋼構造物の亀裂補修方法の補修用溶接工程における補修溶接のイメージ図である。本発明の一実施形態に係る既設鋼構造物の亀裂補修方法により補修が完了した状態の溶接部の断面説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る既設鋼構造物の亀裂補修方法で用いる補修用レーザ溶接装置を示している。

図１に概略的に示すように、この補修用レーザ溶接装置１は、既設鋼構造物の構造物鋼材Ｗ、例えば、橋梁の主桁に用いられるＩ型鋼の腹板に生じた亀裂Ｗａを溶接により補修するものであって、図外のレーザ発振器から供給されるレーザ光Ｌを内蔵した光学系３により集光して亀裂Ｗａが生じている補修箇所に照射するレーザヘッド４と、レーザ発振器からのレーザ光Ｌをレーザヘッド４へ導く光ファイバ５を備えているほか、図示はしないが、レーザヘッド４を補修箇所に沿って移動させると共に補修箇所に接近離間させる駆動部と、溶接速度，レーザ出力及びスポット径等をコントロールする制御部を備えている。

また、この補修用レーザ溶接装置１は、ワイヤ送給機構１０を備えている。このワイヤ送給機構１０は、ワイヤ送給ドラム１１と、このワイヤ送給ドラム１１から連続して送給されるフィラーワイヤ（溶加材）ＦＷを補修箇所に送り込むワイヤホルダ１２を具備している。

なお、このワイヤ送給機構１０は、図１に仮想線で示すように、ワイヤ電源１３を備えたホットワイヤ送給機構としてもよく、この場合には、ワイヤ電源１３によりフィラーワイヤＦＷを補修箇所近傍で加熱することができる。

次に、このように構成された補修用レーザ溶接装置１を用いて行う本発明の一実施形態に係る既設鋼構造物の亀裂補修方法を説明する。

この実施形態に係る亀裂補修方法は、レーザ溶接を用いた溶融補修により亀裂をなくす方法であり、レーザ溶接を用いて構造物鋼材Ｗの溶融量を少なく抑えること、及び、補修箇所に送り込むフィラーワイヤＦＷとして炭素を多く含まないものを採用することを主たる特徴としている。この実施形態に係る亀裂補修方法が対象とする「亀裂」は、疲労亀裂に代表される「貫通亀裂」であるが、この「貫通亀裂」に限定されない。

そこで、まず、図２に示すように、亀裂Ｗａが生じている既設鋼構造物の構造物鋼材Ｗの化学組成を調べる（組成認識工程Ｓ１）。この化学組成の分析には、構造物鋼材Ｗから採取した分析用試料についてJISに規定された分析方法で行う製品分析法を採用し得るほか、鉄鋼製造業者や鉄鋼使用者等において開発されて公知となった適切な鋼の分析方法で行う独自の分析法を採用し得るが、これらの分析法に限定されない。
なお、既設鋼構造物の構造物鋼材Ｗの化学組成が既知である場合には、この組成認識工程Ｓ１は省略することができる。

次に、組成認識工程Ｓ１において、亀裂Ｗａが生じている構造物鋼材Ｗが、多くの炭素、硫黄、リンを含んでいる旧構造物鋼材であると認識した場合には、この構造物鋼材Ｗと同じ化学組成で製作した試験鋼材としての経年模擬試験体Ｗ１（或いは構造物鋼材Ｗから採取した分析用試料）に対して、補修用レーザ溶接装置１により任意のフィラーワイヤＦＷ１を所定量添加しつつ試験補修用レーザ溶接を行う（試験施工工程Ｓ２）。

ここで、フィラーワイヤＦＷ１には、脱酸元素として主にSiやMnが添加されていると共に、強度，靭性及び耐食性を高めるためにMoやCrやNiやV等が添加されており、任意のフィラーワイヤＦＷ１とは化学組成が認識されたものを指し、所定量の添加とは後続の工程の基準となる添加量である。

続いて、試験施工工程Ｓ２で用いたフィラーワイヤＦＷ１の化学組成及び溶接部におけるフィラーワイヤＦＷ１の添加量（溶融したフィラーワイヤＦＷ１が占める割合）に起因する溶接欠陥の発生の可能性を指標に基づいて把握する（溶加材評価工程Ｓ３）。

具体的には、図３に示すように、経年模擬試験体Ｗ１の溶接部断面において、経年模擬試験体Ｗ１の溶接溶融部Ｗ１ｂの断面積をＡ、亀裂を模した間隙Ｗ１ａにまで溶け込んだフィラーワイヤＦＷ１の断面積をＢとして、経年模擬試験体Ｗ１の溶接溶融部Ｗ１ｂが溶接部全体に対して占める母材比率（％）をＡ／（Ａ＋Ｂ）から求め、一方、所定量添加されて溶融したフィラーワイヤＦＷ１が溶接部全体に対して占めるワイヤ比率（％）をＢ／（Ａ＋Ｂ）から求める。

そして、経年模擬試験体Ｗ１の溶接溶融部Ｗ１ｂ及びフィラーワイヤＦＷ１の各比率に基づいて、既に化学組成が割り出されている溶接部の元素（Ｃ，Ｓ，Ｐ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ）の各濃度（mass％）をそれぞれ算出し、次式の指標からＨＣＳ値を得る。

なお、ＨＣＳ値を得るＨＣＳ指標は、(社)溶接学会編：溶接・接合便覧，丸善(株)，p.830，（2003）に記載されている。

ここで、図４にも示すように、二通りの経年模擬試験体Ｗｅ１，Ｗｅ２にフィラーワイヤＦＷ１を添加せずに溶接を行った場合と、フィラーワイヤＦＷ１を添加して溶接を行った場合とを比較すると、フィラーワイヤＦＷ１を添加したときの方がＨＣＳ値は小さくなって、溶接欠陥率の改善が成されることが判る。

このＨＣＳ値は、「４」を下回ると高温割れが発生する危険性が減ることが知られており、この溶加材評価工程Ｓ３では、ＨＣＳ値「４」を基準として、試験施工工程Ｓ２で用いたフィラーワイヤＦＷ１の化学組成及びフィラーワイヤＦＷ１の添加量に起因する溶接欠陥の発生の可能性を把握する。

次いで、溶加材評価工程Ｓ３で把握した評価結果に基づいて、既設鋼構造物の構造物鋼材Ｗに対する補修用レーザ溶接で用いる補修用のフィラーワイヤＦＷ及び添加量を決定する（溶加材仕様決定工程Ｓ４）。

この実施形態において、この溶加材仕様決定工程Ｓ４では、ＨＣＳ値を「４」に近づける乃至は「４」よりも小さくするために、試験施工工程Ｓ２で用いた任意のフィラーワイヤＦＷ１とは化学組成が異なるもの（例えば、より炭素が少ないもの）を補修用のフィラーワイヤＦＷとして採用し、その添加量を試験施工工程Ｓ２と同じに決定する。

この際、補修用としてのフィラーワイヤＦＷには、化学組成を調整して製作したものを用いることができるほか、要求に合った化学組成の市販のフィラーワイヤＦＷを使用してもよい。

なお、この溶加材仕様決定工程Ｓ４において、試験施工工程Ｓ２で用いた任意のフィラーワイヤＦＷ１と同じ化学組成のものを補修用のフィラーワイヤＦＷとして採用して、その添加量を試験施工工程Ｓ２とは異なる量に変更したり、試験施工工程Ｓ２で用いた任意のフィラーワイヤＦＷ１とは化学組成が異なるものを補修用のフィラーワイヤＦＷとして採用して、その添加量も試験施工工程Ｓ２とは異なる量に変更したりすることができる。

そして、図５に示すように、構造物鋼材Ｗに生じた亀裂Ｗａの部分に対して、溶加材仕様決定工程Ｓ４で決めた補修用のフィラーワイヤＦＷを決めた添加量でワイヤホルダ１２を介して送給しつつ、レーザヘッド４からレーザ光Ｌを照射して矢印方向に溶融補修を行うと（補修用溶接工程Ｓ５）、図６に示すように、補修用のフィラーワイヤＦＷが決めた量だけ溶け込んだ溶接部Ｗｂにより、溶接欠陥（高温割れ）が生じることなく仮想線で示す亀裂Ｗａの補修が成されることとなる。

このように、この実施形態に係る既設鋼構造物の亀裂補修方法では、補修箇所に送り込むフィラーワイヤＦＷとしてＨＣＳ値が小さくなるものを採用して溶融補修する（或いはフィラーワイヤＦＷの添加量を多くして溶融補修する）ようにしているので、既設鋼構造物の重量増加を招いたり煩雑な作業を伴ったりすることがないのは言うまでもなく、溶接欠陥をも生じさせることなく亀裂Ｗａをなくすことができる。

また、この実施形態に係る既設鋼構造物の亀裂補修方法では、補修用溶接としてレーザ溶接を採用しているので、溶融補修に際して構造物鋼材Ｗの溶融量を極力抑え得ることとなり、その結果、溶接欠陥が発生するリスクを減らすことができると共に、旧構造物鋼材から生じる炭素、硫黄、リンを少なく抑え得ることとなる。

さらに、この実施形態に係る既設鋼構造物の亀裂補修方法では、既設鋼構造物の構造物鋼材Ｗの化学組成を調べる組成認識工程Ｓ１を含んでいるので、化学組成が判らない構造物鋼材Ｗの亀裂補修にも迅速に対応し得ることとなる。

さらにまた、この実施形態に係る既設鋼構造物の亀裂補修方法では、溶加材仕様決定工程Ｓ４において、複数通りのパターンで補修用のフィラーワイヤＦＷ及びその添加量を決定し得るので、補修現場に対応した補修を行い得ることとなる。

この実施形態では、多くの炭素、硫黄、リンを含む旧構造物鋼材に生じた亀裂Ｗａの補修に本発明の既設鋼構造物の亀裂補修方法を採用した場合を示したが、これに限定されるものではなく、低炭素で且つ硫黄、リンを含む構造物鋼材に生じた亀裂の補修に採用してもよい。

また、この実施形態では、補修用溶接としてレーザ溶接を採用した場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、補修用溶接として、アーク溶接やレーザアークハイブリッド溶接を採用してもよい。

さらに、この実施形態では、溶加材を評価する指標としてＨＣＳ値を採用した場合を示したが、これに限定されるものではない。

さらにまた、この実施形態では、溶加材としてフィラーワイヤＦＷを用いた場合を示したが、これに限定されるものではなく、溶加材として溶接棒を用いてもよい。

本発明に係る既設鋼構造物の亀裂補修方法の構成は、上記した実施形態に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。

ＦＷ，ＦＷ１フィラーワイヤ（溶加材）
Ｌレーザ光
Ｗ構造物鋼材
Ｗ１経年模擬試験体（試験鋼材）
Ｗａ亀裂
Ｗｂ溶接部

Claims

既設鋼構造物の構造物鋼材に生じた亀裂を補修する亀裂補修方法であって、
化学組成が認識された前記既設鋼構造物の前記構造物鋼材から採取した試験鋼材又は該構造物鋼材と同じ化学組成の試験鋼材に対して溶加材を用いた試験補修用溶接を行う試験施工工程と、
前記試験施工工程で用いた前記溶加材の化学組成及び溶接部における前記溶加材の添加量に起因する溶接欠陥の発生の危険性を指標に基づいて把握する溶加材評価工程と、
前記溶加材評価工程で把握した評価結果に基づいて前記既設鋼構造物の前記構造物鋼材に対する補修用溶接で用いる補修用溶加材及び該補修用溶加材の添加量を決定する溶加材仕様決定工程と、
前記既設鋼構造物の前記構造物鋼材に生じた前記亀裂の部分に対して、前記溶加材仕様決定工程で決めた前記補修用溶加材を決めた添加量で送給しつつ前記補修用溶接を行う補修用溶接工程を経る既設鋼構造物の亀裂補修方法。
前記試験補修用溶接及び前記補修用溶接がいずれもレーザ溶接である請求項１に記載の既設鋼構造物の亀裂補修方法。
前記既設鋼構造物の前記構造物鋼材の化学組成を調べる組成認識工程を含む請求項１又は２に記載の既設鋼構造物の亀裂補修方法。
前記溶加材仕様決定工程では、前記試験施工工程で用いた前記溶加材とは化学組成が異なるものを補修用溶加材として採用するか、前記試験施工工程で用いた前記溶加材と同じものを前記試験施工工程とは異なる量で添加するか、前記試験施工工程で用いた前記溶加材とは化学組成が異なる前記補修用溶加材を前記試験施工工程とは異なる量で添加するかのいずれかを決定する請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の既設鋼構造物の亀裂補修方法。