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橋梁（ガントリー）クレーンの主橋たわみ検出と修正方法 1. 橋梁（ガントリー）クレーンの主橋たわみ検出 橋梁（ガントリー）クレーンの安全技術検査において、主橋のキャンバー検出は非常に重要な内容です – 第82条（一般橋形クレーンの技術基準）に次のように明記されています。 主橋径間上部キャンバー F = L()/1000 また、最大キャンバーはL/10の範囲内に制御する必要があります。スパンの真ん中。現在、検出方式としては、従来のワイヤー牽引方式、電流フック吊り方式、磁石吊り方式などが一般的です。これらの方法を以下に紹介します。ワイヤ牽引工法は、検査員3名がクレーンの主梁まで行き、φの細い鋼線を使用し、その一端を主梁の一端に固定します。鋼線は上部カバープレート上の等高ブロックを通過し、他端はメインビームの他端にある 15kg バネ秤に接続されます。次に測定点を選択し、鋼線から主梁上面までの垂直距離を測定し、キャンバー値を計算します。この方法には大きな制限があり、検査員が高所で作業する危険性があります。一部の箱型二重桁橋クレーンの主桁の反り検出のみに使用できます。単桁橋梁（ガントリー）クレーンの場合、主桁の反りを検出できません。スカート付き箱形二重桁橋クレーンの場合も主桁の反りを検出できません。 300mmのスチール定規を逆さまにしてフックに掛けます。これをフック吊り定規法といいます。トロリー（電動ホイスト）を運転してIビーム軌道に沿って走行します。地面に設置された水準器を使用して、メインビームの各通過点の標高値を順番に測定し、キャンバーの値を計算します。この測定方法には大きな誤差がありますが、逆の結果が生じる可能性があります。これは標高値に直接反映されるため、測定された標高値の信頼性が失われます。これらの要因は測定精度に影響します。トロリーの走行車輪の半径の不均等な違い、線路の踏面の形状の誤差、トロリーの「三本足」現象などです。最終的に、この方法で計算されたキャンバー値は正確かつ有限です。磁石吊り定規法の実施方法は、長さφの細い鋼線を使用し、鋼線の一端を磁石に固定し、もう一端を一定の重りに接続し、配置条件を調整可能な300mmの鋼定規に固定された細い鋼線の上に置きます。磁石をメインビームの下にあるプレートまたはIビーム軌道の下面にしっかりと安定して取り付けるには、特製の絶縁ロッドを使用してください。次に、主梁の両端と梁の中央にある 3 つの測定点を選択し、地上に設置した水平器を使用して磁石で吊り下げられたスケールの値を読み取り、主梁の中間スパンでのキャンバー値を計算します。式は以下に示すとおりです。 メインビームの中間スパン キャンバー値は、中間スパン高さから 2 分の 1 を引いた値に、ブラケット内の上限スパン高値と下端スパン高値を乗算した値に等しくなります。スチール定規は細いスチールワイヤーにプラス方向に固定されています。測定結果がプラスの場合は上向きのアーチを示し、マイナスの場合は下向きのたわみを示します。この方法は、さまざまなタイプのクレーンのメインビームの反りを検出するために使用できます。この方法は簡潔で便利で、結果は正確でエラーがなく、トラブルと労力の両方を節約できます。 2. 橋梁（ガントリークレーン）の主桁が変形した場合の対処方法とその軌跡とその結果の特性を示します。橋梁 (ガントリー) クレーンの主桁は、自身の重力と荷重の影響により、下向きに弾性的に曲げ変形し、その結果、耐荷重が主な機能であるトロリーに操作抵抗が加わります。上述の主梁の下向き曲げ変形を補償するという関連するニーズに基づいて、関連する設計プロセスでは、主梁を特定のキャンバー値を備えた梁構造表示にすることが要求されます。したがって、クレーンガーダの設計および製造関連プロセスにおいて、上記のキャンバー値は重要な問題となっています。これらの重要な点については、指定されたキャンバー値を確保する必要があります。制御設定値は大きすぎても小さすぎてもいけません。ただし、橋梁 (ガントリー) クレーンのメインビームは、製造および使用の全プロセス中にさまざまな程度の永久変形を受けます。製造プロセス中、メインビームの切断における不当なキャンバー許容値、温度の影響、溶接プロセスの誤差、およびその他の要因により、メインビームの溶接後にキャンバー、曲率、水平方向の側面の曲がり、およびウェブの垂直性（つまり、メインビームの歪み）がすべて要件を満たさない場合があります。それは修正する必要があります。橋形クレーンの 2 本の主梁が同じセクション内で異なる高さにある場合、それらも修正する必要があります。クレーンの使用段階では、メインビームの剛性不足、長時間の全荷重運転、またはクレーンの過酷な作業環境により、メインビームも永久変形します。国家規格第 85 号（巻上機械の安全規則）第 1 条、第 4 条、第 10 条の規定に基づき、アーチ値と反り値が一定値以下になった場合は修理・修正を行う必要があります。「一般橋形クレーンでは、トロリが径間中央にあり定格荷重下にあるとき、径間内の主桁の下限たわみ値が水平線よりも低く、たわみ値の 1/700 に達するものとする。」修理できない場合は廃棄する必要があります。」したがって、橋梁（ガントリー）クレーンの製造・使用においては、主桁の修正は必要不可欠であり、非常に重要な作業でもあります。修正にはどの方法を使用する必要がありますか?これは、クレーンのメインビーム変形の修正効果、修正コスト、メインビームの外観品質、および吊り上げ機構の安全な使用に直接影響します。したがって、合理的で正しい修正方法は非常に重要であり、無視してはなりません。現在、メインビーム変形を補正する既存の方法としては、「フレーム補正法」、「プレストレス法」、「繰り返し溶接法」、「切断法」、「局部パッド切断法」などがある。実際にどの方法を選択するかについては、具体的な状況に応じて判断やトレードオフを行う必要があり、やみくもに同じ方法や統一的なアプローチを採用すべきではありません。さまざまな方法の特性、適用範囲、特別な注意事項、およびその他の関連知識をしっかりと理解した後でのみ、具体的かつ合理的な要件に沿って、実行可能な解決策と修正手段を正確に選択し、理想的な状況により近い、比較的理想的な最終的な修正結果を得ることができます。 1. 炎の補正方法。原理は、金属構造を局所的に加熱して、金属構造の特定の部分を「塑性圧縮」させることです。冷却後、残留局所収縮応力を使用して変形を修正します。メインビームアーチ反り補正の加熱領域を図1に示します。キャンバーが不十分な場合は、加熱プレートの下側​​の三角形の領域と、カバープレートの下側​​の長方形の領域が加熱されます。加熱点のサイズ、数、位置は、変形の特定の状況に応じて決定する必要があります。以下の点に注意してください。 (A) 最適な加熱温度は700～800℃です。加熱温度は高すぎても低すぎてもいけません。その理由は、この温度まで加熱すると、低炭素鋼の降伏限界がゼロになる傾向があり、金属が「高温の炭素鋼」の状態になり、修正効果が最適になるためです。 (B) 同じ場所で繰り返し加熱することはできません。繰り返し加熱を行うと効果が得られないだけでなく、金属組織を損傷する原因となります。 (C) 加熱ポイントはパーティションに配置する必要があります。これにより、ウェブの波打ちを低減することができる。 (D) 加熱点は危険箇所から遠ざけてください。加熱修正後は焼成点の応力も大きくなり変形しやすくなります。補正後はメインビームを強化する必要があるためである。メインビームの応力は非常に高いです。金属素材は長年使用すると徐々に疲労し、剛性が不足します。補強をしないと矯正効果が維持できないばかりか、変形がさらに深刻になってしまいます。したがって、修正後は補強する必要があります。一般的な補強方法は、主梁のスパン内で下部カバーの両側に溝形鋼を使用し、ウェブに下部カバーの層を追加して主梁の断面を大きくすることです。このような利点があります。まず、矯正効果が比較的良好で、特にかなりの硬さの曲げに対して効果が高くなります。第二に、施工プロセスが比較的簡単であるため、火炎修正工法は幅広い分野で使用できます。しかしながら、この補正方法には以下のような欠点がある。火炎補正の際、「圧縮成形」効果を得るには、メインビームの補正位置をジャッキアップして焼成領域に圧縮応力を負担させないと効果がありません。これにより、建設の難易度が高まります。たとえ火炎加熱が隔壁であったとしても、ウェブとカバープレートに大きな波打ちを引き起こす可能性があります。火炎修正後にメインビームを補強する必要があります。そうしないと、より深刻な変形が発生します。上記を考慮し、通常の状況では、ハードベンドの部分的な修正を除いて、フレーム修正方法の使用はサポートされていません。ただし、I ビームやチャンネル鋼などの大きな鋼材の場合、矯正および変形防止操作を実行する場合は、火炎修正方法が最も理想的です。大規模な印刷機や広すぎる敷地は必要ありません。鋼の曲げの程度に応じて、いくつかの焼成ポイントが適切に選択されます。ファサードは三角形に焼き付けられ、平面は長方形に焼き付けられます。変形の度合いに応じて焼き点の大きさと数を決めるので、すぐに調整でき、省力化、迅速化が図れます。 2. プレストレス法。主梁の下向きのたわみを修正する原理は、主梁の下カバーの両端にある固定サポートを使用して、複数の鋼棒またはワイヤ ロープにプレストレスを与えることです。次に、メインビームには曲げモーメントがかかります。この曲げモーメントの作用により、主梁の上半分には引張応力がかかり、下半分には圧縮応力がかかります。この曲げモーメントの作用により、メインビームは強制的に上向きのアーチを再開します。設置構造を図2に示します。主梁に荷重がかかるときの使用圧力は、プレストレスト鋼棒とは正反対になります。このようにして、プレストレスト鋼棒は使用圧縮応力の一部を相殺することができ、それによってメインビームの耐荷重が向上します。プレストレス法は主梁のたわみ不足を修正するのに有効な方法です。これには次の利点があります。まず、補正後の上部キャンバー値は正確で比較的安定しており、使用中の変化に応じていつでも調整できます。第二に、修正後、メインビームの強度と剛性を向上させることができます。第三に、修正構築プロセスがシンプルで実装が容易で、サイクルタイムが短いことです。コストが低いです。しかし、次のような欠点もあります。まず、橋梁 (ガントリー) クレーンの箱形の主梁の下向きのたわみを修正するのにのみ適しています。第二に、この方法はメインビームの水平方向の曲がりや局所的な変形、ガントリークレーンのカンチレバーの曲率を修正するのには適用できません。第三に、修正後の外観が十分に美しくありません。すなわち、クレーンが長年使用されている場合、メインビームが弱く耐荷重性が低い場合、長時間フル荷重で運転されている場合、または作業環境が厳しい場合には、プレストレス工法が最適である。また、反復溶接法もあり、その原理は、高電流で繰り返し溶接することによって主溶接シームを使用し、その結果生じる溶接変形を使用して元の変形を修正し、変形を修正するという目的を達成することです。メインビームのキャンバーを大きくする必要がある場合は、メインビームの下部カバープレートとウェブ上の 2 つの隅肉溶接で繰り返し溶接が実行されます。溶接部の冷却と収縮により発生する応力により、水平方向の側面の曲がりが増加します。水平方向の側面の曲がりを軽減する必要がある場合は、凸状ウェブと上部および下部のカバー プレート上の 2 つの隅肉溶接で溶接作業を繰り返します。これにより、横方向の曲がりを軽減することができる。溶接時の電流と繰り返し溶接の長さは、いずれも補正の度合いに応じて決定する必要があり、超えないようにするか逆補正を行う必要があります。長年の実践の結果、この修正方法が最良であり、正確かつ効果的であり、全体の変形が非常に滑らかで、外観上の欠陥の問題がないことが証明されました。この補正技術は、アーチ反り値レベルでの補正が必要な状況を解決するのに適しており、特に横方向の曲がりの補正のために設計されています。これには、橋クレーンの同じセクションにある 2 本の主梁間の大きな高さの差の修正も含まれます。実用的な性能特性、経済性、操作性などの利点だけでなく、品質と速度の面でも優れたパフォーマンスを発揮するという利点もあります。ただし、主梁の一部に強い曲がりがあり、主梁の剛性が不足し、長期使用により変形が大きい場合は、この限りではありません。 4. 切断法は、初期の主梁の製造時に使用された、溶接の収縮応力を利用して上部アーチを形成する原理を指し、溶接変形を利用して主梁の反りを改善することができます。しかし、必要な溶接変形を生じさせるためには、一般に大きな溶接電流が必要となり、上カバーの溶け落ちや引け穴などの溶接欠陥が発生する場合があります。さらに、溶接熱変形を使用して変形の量と方向を制御することは困難であり、場合によっては、メインビームの他の技術パラメータの変形を容易に超える可能性があります。主梁の自重がアーチに及ぼす影響を利用して、主梁上部覆い板を切断することができる。切断後は、切断部分の主梁部の曲げ弾性率が低下し、主梁の曲げ抵抗が弱くなる。メインビームの自重の作用により、機械的変形が発生し、スパン中央上向き値が減少し、カンチレバー端上向き値が増加します。この解決策を採用すると、全体の補正プロセスと変形量を制御することが比較的容易になります。ただし、ウェブの方向に垂直な軸に沿った切断部の周りの主ウェブと補助ウェブの回転と変形により、ウェブが許容範囲外になる可能性があることに注意する必要があります。実際の実験により、この方法は実行可能であり、操作が簡単で、制御も簡単であることが証明されています。メインビームが永久変形を受ける場合、通常は元の技術データを維持することができ、経年劣化による内部応力や熱変形が解放された後も技術パラメータに大きな変化を引き起こすことはありません。切断法は、メインビームのキャンバーが許容範囲を超えて持続する場合に、新しいメインビームを修正するのに比較的優れた方法です。この方法は、カンチレバーが高すぎる（スパンが規格を満たしている）、スパンが高すぎる（カンチレバーが規格を満たしている）、または上部アーチの上向きに関連するその他の問題を解決するためにも使用できます。メインビームの吊り下げ支持中に異なる支持位置が選択されている限り、異なる切断部品を選択することで、あらかじめ設定された目的を達成できます。なお、修正量が比較的大きい場合には、ウェブの不要な変形を避けるために、様々な工夫が必要となる。上記の 4 つの実際的な方法に加えて、局所加熱などの他の方法については、ここでは詳しく説明しません。次に、どのソリューションを採用するかを決定するか、複数のソリューションを組み合わせて、最短期間かつ最低コストで最高の結果を達成します。

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。

溶接変形の種類

溶接プロセス中に生じる溶接物の変形を溶接変形と呼びます。溶接後に溶接部に残る変形を溶接残留変形といいます。溶接残留変形には、縦収縮変形、横収縮変形、角変形、曲げ変形、ねじり変形、波打ち変形が含まれます。全部で6種類あります。詳細は図1を参照してください。溶接部の縦収縮変形と横収縮変形が基本的な変形形態です。溶接のスタイルが異なると、溶接の数と位置の分布が異なるため、これら 2 つの変形は、他のいくつかの異なる変形形式として表示できます。

どのような状況で溶接部に縦方向の収縮変形が発生しますか?

溶接後の溶接部の長さと平行な方向の収縮変形を縦収縮変形といいます。溶接部が溶接部の中立軸よりも上に位置する場合、またはいくつかの溶接部が中立軸に対して対称な位置に分布している場合、溶接部は縦方向の収縮変形を受けます。溶接の位置は表 1 に示されています。

溶接部の長手方向の収縮変形は、溶接部の長さが増加すると増加し、溶接部の溶着金属の断面積が増加すると増加し、溶接部の断面積が増加すると減少します。そのおおよその値を表 2 に示します。

表2 溶接線の縦収縮変形量の概算値(mm/m)

突合せ溶接

連続すみ肉溶接

断続すみ肉溶接

0.15～0.3

0.2～0.4

0～0.1

注：表中のデータは板厚の約15倍に相当する幅の溶接部の縦収縮変形量です。中厚炭素鋼板に適用可能です。

溶接部の横収縮変形とその計算について説明する

溶接後、溶接により生じる溶接シームに関連する方向に向かう鉛直方向の収縮変形を横収縮変形と呼びます。この横方向の収縮変形量は、板厚が厚くなるほど大きくなります。

軟鋼突合せ継手の横収縮変形、T 形継手の横収縮変形、重ね継手の横収縮変形を表 3 および表 4 に示します。

突合せ継手の横収縮変形の概算計算式を表5に示します。

表5 突合せ継手の横収縮変形の概算計算式

ベベルフォーム

横短縮計算式

Y字型

ダブルY字型

水平方向L=0.1δ①+0.6

水平方向L=0.1δ+0.4

①δ——板厚（mm）。

2 つのプレートが自由に突き合わせた状態にあり、溶接の長さが長くなく、水平方向の拘束がない場合、横方向の収縮変形量は縦方向の収縮変形量よりもはるかに大きくなります。

どのような状況で溶接部に曲げ変形が発生しますか?

溶接部の溶接部が溶接部の中立軸になく、中立軸に対して非対称（上下左右）である場合、溶接後に溶接部が曲がって変形してしまいます。溶接が中立軸よりも下に集中している場合 (または下にさらに溶接がある場合)、溶接後に溶接物は上向きのアーチ状の曲げ変形を生じます。逆に、溶接が中立軸よりも上に集中している場合（または上にさらに多くの溶接がある場合）、溶接後に溶接部は凹状の曲げ変形を生じます。溶接部が溶接部の中立軸に対して左右非対称の場合、溶接後に側曲がりが発生し、溶接部が曲がって変形する溶接シーム位置は表6に示します。

溶接部の角変形の原因と値を説明する

溶接中、溶接部の板厚方向の不均一な横収縮によって生じる回転変形を図1bに示すように角変形といいます。

角変形が発生する理由は、通常、溶接部の断面が上部で広く、下部で狭くなり、その結果、溶接部の厚さ方向の横方向の収縮が不均一になり、上部で大きく、下部で小さくなることが原因です。最終的に、溶接面は偏向され、両側が斜め上向きに傾きます。エレクトロスラグ溶接部の厚さは均一であるため、溶接後の溶接部の角変形は基本的にありません。

非鉄金属や薄板の場合、溶接工程中に溶融池が溶接物の重量に耐えられず、両側の板がたわみ、逆方向の角変形が生じます。

低炭素鋼突合せ継手の自由状態での溶接後の角変形の実験値を表7に示します。

うねり変形とねじり変形の原因を説明します

(1) 溶接部品によって生じる波状の変形を波浪変形といいます。薄板を突合せ溶接した後、板には内部応力が生じます。溶接部に近い部分は引張応力、溶接部から遠い両側の部分は圧縮応力になります。圧縮応力が大きなレベルに達すると、図 1d に示すように、平板は安定性を失って波状変形を引き起こします。

さらに、溶接部のいくつかの隅肉溶接が互いに非常に接近している場合、図 2 に示すように、各隅肉溶接によって引き起こされる角度変形が一貫して混ざり合って波状の変形を形成します。波状の変形は、薄板構造でよく発生します。

(2) ねじれ、変形がある。溶接後、コンポーネントの両端は中立軸の周りで反対方向にある角度でねじられます。図 1e に示すように、この状況はねじれ変形と呼ばれます。

コンポーネントの角変形が長さ方向に沿って不均一に分布し、長手方向に位置がずれているエッジがある場合、歪みが発生することがよくあります。図 3a のような I ビームの場合、仮付け溶接の後、適切な治具を使用せずに、4 つのすみ肉溶接が図 3b に示す方向 (隣接する溶接が反対方向) に溶接されます。このとき、角変形は溶接の長さに沿って徐々に増加し、コンポーネントにねじれが発生し、歪みが発生します。

合理的な組み立て手順と溶接手順を使用して、溶接残留変形を制御します。

コンポーネントの形状が異なれば、異なる組み立て方法と溶接方法を使用する必要があります。

(1) 溶接構造物は構造断面が対称であり、溶接シームの配置も対称である。まずメソッドを使用して全体的な外観に組み立て、その後に従うことができます。その後、特定の溶接シーケンスに従って生産作業を実行します。このようにして、全体の剛性が比較的大きい状態で構造物を溶接することができる。これにより、曲げ変形の結果を非常に効率的に軽減できます。

たとえば、I ビームには組み立てと溶接のプロセスがあります。このプロセスには、図 4 に示す 2 つの異なる解決策があります。図 4b に示すような組み立てと溶接の製造プロセスが採用される場合、溶接後に比較的大きなアーチ曲げ変形が発生します。図4cに示すような組み立て後の溶接シーケンスを採用すると、曲げ変形の発生を効果的に低減できます。

（２）組立て溶接された部品の溶接構造は、非対称な構造断面形状および溶接シームを有する。図 5 に示すように、別々に組み立てて溶接することも、最後に組み立てて溶接することもできます。図 5b に示すスキームでは、溶接シーム 1 が中立軸から遠く離れているため、大きな曲げ変形が発生します。しかし、図 5a に示すスキームでは、溶接シーム 1 の位置は上部カバープレート部分の中立軸とほぼ一致しているため、構造全体の曲げ変形には影響を与えません。

溶接残留変形を制御するために合理的な溶接シーケンスを使用しますか?

(1) 対称溶接を採用しています。部品に対称的に配置された溶接がある場合、対称的な溶接によって変形を軽減できます。図 4 に示す I ビームと同様に、組み立て全体が完了したら、最初に溶接シーム 1 と 2 を溶接し、次に溶接シーム 3 と 4 を溶接します。これで完了です。溶接完了後は上向きのアーチ状の曲げ変形が発生します。 1、4、2、3の順で溶接を行うと、溶接後の曲げ変形が小さくなります。ただし、対称溶接では変形を完全になくすことはできません。これは、溶接の数が増えるにつれて、構造の剛性が徐々に増加するためです。後に溶接される溶接部による変形は、最初に溶接される溶接部よりも小さくなります。たとえ 2 つの方向が逆であっても、変形を完全に相殺する方法はありません。最終的に、最初に溶接された溶接部の変形方向は保持されます。

(2) 溶接部が非対称の場合は、溶接部の少ない側を先に溶接してください。先に溶接した側の変形が大きいため、溶接の少ない側を先に溶接すると変形が大きくなります。その後、反対側の追加の溶接棒によって引き起こされる変形を使用して相殺し、構造全体の変形を軽減します。

溶接残留変形を制御するには、適切な溶接方向を使用しますか?

溶接残留変形を制御するために使用される溶接方向には次のものがあります。

(1) T 形梁や I 形鋼などの溶接構造物には、溶接部が平行に長く伸びています。長い溶接は同じ方向に溶接する必要があります。この方法は溶接中にも使用する必要があり、歪みや変形を効果的に制御できます (図 6a を参照)。

(2) 中央から両側への分割脱溶接方法を使用し、同一または同一直線上の複数の溶接に対して逆分割脱溶接方法を使用すると、残留変形を効果的に制御できます。図 6b を参照してください。

（３）ジャンプ溶接法。部品上に互いに離間した多数の溶接がある場合、適切なジャンプ溶接法を使用して部品上の熱分布を均一にすることができ、この種の挙動により溶接後に残る残留変形を軽減できます。関連する詳細を図 6c に示します。

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溶接残留変形を制御するために逆変形法を使用しますか?

残留溶接変形を相殺するために、残留溶接変形と反対方向への溶接物の人工変形が使用されます。この方法を逆変形法といいます。たとえば、突合せジョイントの角度変形を回避するために、図 7a に示すように、突合せジョイントを事前に上昇させて逆の角度変形を形成することができます。溶接後の I ビーム翼板の角変形を防ぐために、図 7b に示すように、翼板を事前に逆に曲げることができます。薄いシェル構造の場合、サポートシートなどの部品がシェルに溶接される場合があります。シェルは溶接後に潰れることが多いため、図 7c に示すように、サポート シートの周囲のシェル壁を溶接前に押し出し、その後溶接することができます。

反変形法を用いて溶接残留変形を制御することにより、溶接前に溶接残留変形をより正確に把握する必要があります。一般的には、溶接後の部品の曲げ変形や角変形を制御するために使用されます。反変形量が適切に確保されていれば、これら 2 つの変形は基本的に相殺できます。

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溶接残留変形を抑制するために剛体固定方法を使用しますか?

溶接前に、溶接中に溶接物が自由に変形しないように、外部の剛性拘束が溶接物に適用されます。この溶接残留変形を防止する方法を剛固定法といいます。溶接後の薄板のうねり変形を防ぐために圧力ごてを使用します。関連する図を図 8 に示します。

強固な固定方法はシンプルで操作が簡単で、幅広い用途に使用できます。この方法の欠点は、溶接後に外部の剛性拘束を取り除いた後も溶接部にある程度の変形が残り、完全に除去することはできませんが、拘束されていない状態よりもはるかに小さいことです。また、強固に固定する方法では溶接継手の溶接応力が大きくなるため、耐クラック性が劣る材質の場合には注意が必要です。

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放熱法と自重法で溶接残留変形を抑制

(1) 放熱法は、溶接時に強制冷却することにより溶接部の熱を放散し、加熱面積を減らし変形を軽減する方法です。この方式を放熱方式といいます。薄板の溶接変形を軽減する放熱方式を採用しています。関連するプレゼンテーションを図 9 に示します。図 9b に示す状況は、溶接のために溶接物を水の中に入れることです (この方法は、小さな容器の溶接によく使用されます)。図 9c に示す状況では、冷却に水冷銅ブロックを使用しています。

この放熱方法は、焼入性の高い材料の溶接には適していません。

(2) 溶接部自体の質量による変形を利用して溶接残留変形を相殺する方法を自重法といいます。たとえば、図 10a に示すように、溶接された梁の上部には下部に比べて溶接箇所が大幅に多く、溶接完了後に梁全体が凹状の曲げ変形を起こします。この目的のために、溶接する前に、互いに非常に近い 2 つのバットレス上にビームを配置します。これは図 10b で確認できます。まず、梁の下部にある 2 つの直線溶接を溶接します。ビーム自体の重量と溶接シームの収縮により、ビームが曲がったり変形したりするためです。溶接が完了したら、両端にバットレスを配置し、ビームを反射的に静止させます。次に梁の上部を溶接します。梁の両端にバットレスが配置されているため、梁の自重による曲げ変形は最初とは逆になります。それだけでなく、上部溶接部の収縮および変形の方向も下部溶接部の収縮および変形の方向と異なるため、図10cに示すように、溶接後の梁の曲げ変形を制御することができます。

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機械的補正法による溶接残留変形の補正

手動ハンマや機械的圧力を用いて溶接残留変形を修正する方法を機械修正といいます。

この方法は、薄板の波形変形を手打ちによって修正する機能を持っており、その様子を図 11 に示します。図 11a に示されているのは、薄板の元の変形です。ハンマリング動作を行う場合、ハンマリング部分が突き出た状態になってはなりません。そうなってしまうと逆方向に突き出るだけになってしまいます。この状況は図 11b に示されており、裏側をハンマーで叩く必要があります。しかし、最終的には平らにできないばかりか、変形の程度が大きくなってしまいます。正しいアプローチは、突出部分の周囲の金属をハンマーで叩いて塑性的に伸長させ、半径に沿って内側から外側に向かってハンマーで叩くことです。この場合は、図 11c を参照してください。または、突出部分の周囲に沿って徐々に内側にハンマーで叩き込みます。この場合は、図 11d を参照してください。

溶接後の残留変形を修正するために機械力を使用する方法を図 12 に示します。図 12a は、I ビームの溶接後に露出した曲げ変形を修正するための加圧機構の使用を示しています。図 12b は、薄板の縦方向の伸びを促進し、それによって薄板の溶接後に残る残留変形を除去するために、溶接シームと薄板の両側を転がすためのディスク状ローラーの使用を示しています。

薄板を溶接した後の整形外科に適した方法は、機械を必要としない非常に手間がかかり、技術的にも難しい手打ち矯正です。機械的修正は、中型および大型の溶接部の溶接後修正に適しています。高効率で早く効果が得られますが、加圧機構などの設備が必要です。

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溶接残留変形の火炎補正を正しく行う

火炎による局所的な溶接部の加熱によって生じる塑性変形により、冷却後に長い金属が収縮し、それによって変形を修正する目的が達成されます。これを火炎加熱修正法と呼びます。火炎加熱補正法を用いて溶接部の残留変形を補正する場合には、次の点に注意する必要があります。

1) 加熱に使用する火炎は、一般に酸素アセチレン火炎です。炎の性質は中性炎です。加熱深さを浅くする必要がある場合には、酸化炎を使用することができます。

2）低炭素鋼、低合金構造用鋼の場合、加熱温度は600℃～800℃の範囲となります。この状態に達すると、溶接部はチェリーレッドに見えます。

3) 炎の加熱には点、線、三角の 3 つの方法があります。三角加熱は溶接部の厚みが大きく剛性が強い場合に適しています。

4) 溶接部の突出変形は凹部ではなく加熱部とする。そうしないと修正を行うと変形がさらに大きくなります。

5) 薄板構造の変形を矯正する場合、矯正効果を高めるため、火炎加熱中に水を急冷することができます。この方法を水火補正法といいます。より厚く、より重要な部品や硬化傾向が大きい鋼の場合、水処理や火処理は使用できません。

6) 夏場の屋外で補正を行う場合は、太陽光の影響を考慮する必要があります。結局のところ、通常、昼と早朝では本来の暖房効果が異なります。

7) 薄板が変形する火炎修正工程において、同時に木槌で叩くことができ、修正効果が促進されます。

15. 電磁ハンマー法による溶接残留変形修正の動作原理を説明してください

電磁ハンマー方式は、強電磁パルス補正方式とも呼ばれます。溶接部の変形を修正する場合、まず溶接部の修正箇所に絶縁された円盤状のコイルからなる電磁ハンマーを配置し、充電された高電圧コンデンサを放電させることで、コイルと溶接部の間の隙間に強いパルス状の電磁場が発生します（機械式ハンマーに比べて）比較的均一な圧力パルスが発生し、溶接部の変形と逆方向に変形を引き起こします。溶接部の変形を修正します。

電磁ハンマー法は、アルミニウムや銅などのプレート構造やシェル構造など、導電率の大きな材料の整形外科的使用に適しています。導電率が低い材料の場合は、溶接部と電磁ハンマーの間にアルミニウムまたは銅の薄い板を配置する必要があります。これが事実です。

電磁ハンマー方式の変形矯正には次のような利点があります。

1) 溶接部の表面にハンマー痕がないこと。

2) 整形外科用エネルギーを正確に制御できます。

3) ハンマーヘッドを振る必要がないので、比較的狭い場所でも作業が可能です。