鋼構造物の溶接変形と制御された修正

00はじめに

ほとんどの鉄骨構造の接合は溶接で行われ、一部の重要な溶接には通常完全溶け込み溶接が使用されます。金属溶接中、局所的な加熱および溶解プロセス中に、加熱ゾーン内の金属の温度は周囲の母材の温度と大きく異なり、これにより溶接プロセス中に瞬間的な応力が発生します。

元の温度まで冷却すると、溶接部全体と溶接部近傍の引張応力部が母材の圧縮応力部と釣り合い、構造物自体の溶接残留応力が発生します。

このとき、溶接応力の作用により溶接構造は様々な変形を示します。残留応力の存在と変形の発生は相互に変形する状態にあります。変形の法則を理解できれば、変形を防止、軽減、矯正する方法を見つけることは難しくありません。

1. 溶接変形の形態と原因

鋼構造物の溶接後に生じる変形は、構造物全体の変形と構造物の局所的な変形の２つに大別されます。構造全体の変形は、構造の縦方向および横方向の短縮だけでなく、曲げや反りもカバーします。局所的な変形は、凸状の曲がり、波状、角張った変形など様々な形で現れます。

1.1 一般的な変形の基本形式

溶接変形の一般的な基本的な形式は、プレートの開先突合せ溶接後に長さが短くなり、これを縦収縮とも言い、幅も狭くなり、これを横収縮と呼びます。これらはいずれも変形であり、プレートの開先突合せ溶接後には角変形が生じます。

溶接後、溶接されたコンポーネントの角変形はコンポーネントの長手軸の方向で異なり、コンポーネントのフランジとウェブの長手方向の収縮は一貫していないため、ねじれ変形が生じます。

薄板の溶接後、母材の圧縮応力領域が不安定になり、板表面が反り、波状変形が形成されます。溶接部の縦方向の収縮と横方向の収縮が部品の中立軸に対して非対称となり、部品全体の曲がりの原因となります。この変形が曲げ変形である。

これらの変形は、変形の基本形式に属します。さまざまな複雑な構造変形は、これらの基本的な変形の展開、これらの基本的な変形の変形、およびこれらの基本的な変形の統合です。

1.2 溶接変形の原因

溶接プロセス中、溶接部は部分的かつ不均一に加熱され、これが溶接応力と変形の原因となります。溶接中、溶接部内の金属と溶接部に隣接する加熱領域が膨張します。周囲の低温の金属がこの膨張を妨げるため、溶接領域に圧縮応力と塑性収縮変形が発生し、その結果、さまざまな程度の横方向および縦方向の収縮が発生します。この 2 方向の収縮により、溶接構造にさまざまな変形が生じます。

2. 溶接構造物の変形に影響を与える要因

溶接変形量はさまざまな要因の影響を受けます。場合によっては、同じ要因が縦方向の変形、横方向の変形、角方向の変形に反対の影響を与えることがあります。さまざまな変形に対するさまざまな要因の影響を包括的に分析し、その影響ルールを習得することは、変形を制御するための合理的な措置を講じるための基礎となります。そうしないと、期待される結果を達成することが困難になります。

1) 影響を与える溶接の断面積。溶接の断面積とは、溶融線内の金属に対応する面積を指します。溶接面積が大きいほど、冷却時の収縮による塑性変形量が大きくなります。

2) 溶接入熱が影響します。一般に入熱量が大きいと、加熱される高温域の範囲が広くなり、冷却速度が遅くなり、継手の塑性変形域の規模が大きくなります。縦方向の変形、横方向の変形、または角度方向の変形のいずれであっても、変形は増加します。しかし、平面溶接を行う場合、入熱がある程度大きくなると、板厚全体の温度が近づく傾向にあるため、入熱が増加し続けても角変形量は増加せず、減少していきます。

3) ワークには予熱や層間温度の影響があります。予熱温度が上昇すると層間温度も上昇し、入熱量が増加します。入熱が増加すると、冷却速度が遅くなります。冷却速度が遅くなると収縮変形量が大きくなります。

4) 溶接方法の影響について言えば、エレクトロスラグ溶接を除く建築鋼構造物の溶接に一般的に使用されているいくつかの方法の中で、最も入熱量が大きいのはサブマージアーク溶接です。同じ溶接部など他の条件では収縮変形量が最も大きく、手動アーク溶接の入熱量は中間に位置します。 CO2ガスシールド溶接はサブマージアーク溶接に比べて収縮変形が小さく、入熱量が最も小さく、収縮変形応答も最も小さくなります。

5) 構造内の溶接線の位置は対称ではないため、溶接線の位置は変形に影響します。この溶接シームの位置が非対称であるため、さまざまな変形が発生します。

6) 構造物の剛性は溶接変形に影響を与えます。構造剛性の大きさは主に構造の形状と断面サイズによって決まります。剛性が小さい構造物は溶接変形が大きくなり、剛性が大きい構造物は溶接後の変形が小さくなります。

7) 組立・溶接仕様が溶接変形に与える影響は以下の通りです。組み立て方法の違いがあるため、構造の変形にも影響します。全体の組み立てが完了したら溶接作業を行います。この場合、通常、組み立てながら溶接する場合に比べて、生じる変形は小さくなります。

エンジニアリング溶接期間中、さまざまな条件と多くの要因が連動することを考慮すると、溶接残留変形のパターンは非常に複雑になります。それぞれの要因が単独で作用する影響を知ることは、プロジェクトの特定の状況に基づいて包括的な分析を実行するのに役立ちます。

3. 構造変形の防止・軽減対策

1) 溶接の断面積を小さくする: 過度の欠陥のない完全な溶接を得るには、角度やギャップを含めて、できるだけ小さい溝サイズを使用するようにしてください。

2) 降伏強さが以下の範囲にあり、焼入性が強くない鋼の場合は、入熱量を小さくするか、予熱を極力避けるか、予熱温度や層間温度を適切に下げてください。 CO2ガスシールド溶接など入熱量の少ない溶接方法を優先してください。

3) 厚板溶接の場合は、単層溶接ではなく、可能な限り多層溶接を使用してください。

4) 両面溶接の場合は、両面対称開先を選択する必要があります。さらに、多層溶接モードの場合は、以下の図 2 に示すように、コンポーネントの中立軸に対して対称な溶接シーケンスを使用する必要があります。

図 2: 角変形を軽減するために両面開先対称溶接シーケンスを使用する

5) T 字継手の厚さが比較的厚い場合は、図 3 に示すようにオープンベベル突合せ溶接が使用されます。

図3：T字継手板厚が厚い場合はベベルアングル突合せ溶接を使用

6) 溶接前の変形防止方法により、溶接後の角変形を抑制します。この方法は生産において最も一般的な方法であり、基本的に溶接部を事前にオフセット (補正) する必要があります。

溶接後曲げの変形防止方法を採用することにより、溶接後の変形を防ぐという目的が達成されます。このうち、表1に記載のデータは、溶接前のボックス柱の逆変形の参考値です。図4に示すデータの一部は溶接前のH形鋼の逆変形に相当する参考値です。

図４ H形鋼溶接フロントフランジの逆変形参考値

7) 固定方法は強固な強制固定方法を使用してください。実際の生産では、溶接後の大きな剛性コンポーネントの変形は通常より小さくなります。小型剛性部品の剛性を溶接前に強化できるため、溶接後の変形が軽減されます。この方法では、溶接が冷えた後にクランプとサポートを取り外す必要があります。一般的な方法としては、クランプ方式、サポート方式、モールド方式、仮固定方式（溶接釘固定、圧縮固定方式など）、位置決め溶接方式などが挙げられます。

8) ハンマー溶接法。この方法は主に薄板の溶接に適しています。溶接部および薄板の熱影響部が完全に冷えていない場合は、直ちにその部分をハンマーで叩いてください。厚い板の場合はエアガンを使用してハンマーで叩きます。

9) 溶接部の縦方向の収縮変形を補正するには、コンポーネントの予約長法を使用します。

10) 設計するときは、溶接の数とサイズを減らし、溶接を合理的に配置するように最善を尽くしてください。溶接が密になるのを防ぐことに加えて、溶接はコンポーネントの中立軸にできるだけ近くに配置する必要があり、溶接のレイアウトはコンポーネントと一致している必要があります。

軸に対して対称です。

11) 鋼構造物に突合せ溶接と隅肉溶接の両方がある場合、溶接順序を正しく選択する必要があります。原則として、最初に突合せ溶接を溶接し、次に隅肉溶接を行います。十字溶接と T 字溶接では、溶接応力集中を防ぎ、継手溶接の品質を確保するために、正しい順序を採用する必要があります。鋼構造物全体の中立軸に対して対称な溶接方法を採用し、中間から2つのセクションに向かって溶接することは、変形の低減に非常に効果的です。高い強度が要求される鉄骨構造の重要な部分の溶接では、継手はできるだけ拘束されずに自由に収縮するようにする必要があります。

4. 溶接後の溶接変形の修正方法

設計を達成し、仕様要件に準拠するには、溶接変形のある溶接構造コンポーネントを修正する必要があります。言い換えれば、この修正は、発生した変形を補償または相殺するために新しい変形を作成する試みです。建設生産において、溶接後の残留変形を補正する最も一般的な方法は、力補正、加熱補正、およびこれら 2 つの方法の併用に分けられます。

4.1 力の補正方法

力の修正には、通常、ジャッキ、スクリューインテンシファイア、ローラー矯正機が使用されるか、大型プレスで完成します。

4.2 加熱補正方法

つまり、不均一な加熱の助けを借りて、構造は元の溶接変形を補償または相殺する逆変形を得ることができます。加熱補正法の加熱方法は点加熱、線加熱、三角加熱に分けられます。加熱補正により、力補正では解決するのが難しい多くの変形を除去できます。火炎の局所加熱によって生じる変形の法則を制御することが、適切な修正の鍵となります。火炎補正の効果を決定する主な要因は、加熱場所と加熱温度です。低炭素鋼と通常の合金の溶接構造では、通常 650 ～ 8000 ℃の加熱温度が使用され、一般に 9000 ℃を超えてはなりません。表 2 を参照してください。さまざまな色で温度範囲を識別できます。

加熱による矯正の場合、矯正効果を高めるため、加熱時に外力を加えて矯正することも可能です。炎を矯正する場合、発熱点を冷却するには自然冷却と水冷の2つの方法があります。水火補正法を用いることで構造補正の効果が早く得られ、自然冷却による補正量を上回る補正量が得られます。大きな断面を修正するためのH形鋼のようなもの。