(57)【要約】  この溶接継手は、ビームの照射源から遠い側の厚手鋼材の突合せ端部に配置され、溶接金属のなす面より薄手鋼材側に突き出たビーム受止部が、前記厚手鋼材と一体の部位として形成され、前記溶接金属の一部が、前記ビーム受止部の内部の溶接金属先端部を形成しており、前記照射源から遠い側の前記薄手鋼材の表面である遠位面と、この遠位面と対面する前記ビーム受止部の表面であるビーム受止面とが、２０°以上８０°以下の角度αで開口する応力緩和溝を形成し、前記溶接金属先端部がなす面と前記ビーム受止面とのなす角βが３０°以上１４０°以下であり、前記溶接金属の一部が、前記応力緩和溝の底部に露出して幅０．５〜３．０ｍｍの露出部を形成している。
2013179461.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々の長手方向端面で互いに突合わされ、少なくともこの突合せ部での板厚が相対的に異なる薄手鋼材および厚手鋼材と、前記突合せ部の片側からビームが照射されて形成された溶接金属と、を備えるビーム溶接継手であって；
前記ビームの照射源から遠い側の前記厚手鋼材の突合せ端部に配置され、前記溶接金属のなす面より前記薄手鋼材側に突き出たビーム受止部が、前記厚手鋼材と一体の部位として形成され；
前記溶接金属の一部が、前記ビーム受止部の内部の溶接金属先端部を形成しており；
前記照射源から遠い側の前記薄手鋼材の表面である遠位面と、この遠位面と対面する前記ビーム受止部の表面であるビーム受止面とが、２０°以上８０°以下の角度αで開口する応力緩和溝を形成し；
前記溶接金属先端部がなす面と前記ビーム受止面とのなす角βが３０°以上１４０°以下であり；
前記溶接金属の一部が、前記応力緩和溝の底部に露出して幅０．５〜３．０ｍｍの露出部を形成している
ことを特徴とするビーム溶接継手。
【請求項２】
前記薄手鋼材の前記長手方向に対する前記溶接金属のなす面の角度γが２０°以上６０°以下であることを特徴とする請求項１に記載のビーム溶接継手。
【請求項３】
前記薄手鋼材の前記長手方向に対する前記溶接金属のなす面の角度γが７０°以上９０°以下であり；
前記突合せ部における前記溶接金属の組成から下記式１により算出される変態開始温度Ｍｓが２５０℃以下である；
ことを特徴とする請求項１に記載のビーム溶接継手。
Ｍｓ＝３７１−３５３Ｃ−２２Ｓｉ−２４．３Ｍｎ−７．７Ｃｕ−１７．３Ｎｉ−１７．７Ｃｒ−２５．８Ｍｏ・・・（式１）
【請求項４】
前記薄手鋼材および前記厚手鋼材が、厚さ１０ｍｍ以上であり、降伏強度が３５５ＭＰａ以上５９０ＭＰａ以下である、鋼板又は鋼管であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のビーム溶接継手。
【請求項５】
前記薄手鋼材および前記厚手鋼材の組成が、Ｃ：０．０１〜０．０８質量％、Ｓｉ：０．０５〜０．８０質量％、Ｍｎ：０．８〜２．５質量％、Ｐ≦０．０３質量％、Ｓ≦０．０２質量％、Ａｌ≦０．００８質量％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０質量％を含有し；
残部鉄および不可避的不純物である；
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のビーム溶接継手。
【請求項６】
前記薄手鋼材および前記厚手鋼材の組成が、さらに、Ｃｕ：０．１〜１．０質量％、Ｎｉ：０．１〜６．０質量％、Ｃｒ：０．１〜１．０質量％、Ｍｏ：０．１〜０．５質量％、Ｎｂ：０．０１〜０．０８質量％、Ｖ：０．０１〜０．１０質量％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０質量％の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項５に記載のビーム溶接継手。
【請求項７】
風力発電塔の基礎部分を構成する鋼構造体又は鋼管柱に使用されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のビーム溶接継手。
【請求項８】
前記厚手鋼材および前記薄手鋼材がそれぞれ鋼管であり、前記長手方向が前記鋼管の管軸方向であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のビーム溶接継手。
【請求項９】
請求項１に記載のビーム溶接継手を溶接するビーム溶接方法であって、
前記薄手鋼材および前記厚手鋼材に、前記突合せ部の片側から前記ビームを照射することで、
前記溶接金属を形成し、
前記応力緩和溝の底部に幅０．５ｍｍ〜３．０ｍｍの前記露出部を形成し、
前記ビーム受止部の内部に前記溶接金属先端部を形成する
ことを特徴とするビーム溶接方法。
【請求項１０】
ビーム溶接中に、前記露出部を監視手段によって監視し、監視結果に基づき前記ビームの照射角度または照射位置を調整することによって、前記露出部の前記幅を制御することを特徴とする請求項９に記載のビーム溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビームを溶接部に照射して形成した溶接継手、特に、ギガサイクル（１０９〜１０）域の振動環境下において、優れた耐疲労特性を呈する溶接継手およびビーム溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化の一因であるＣＯ２ガスの削減や、石油等の化石燃料の将来的な枯渇に対処するため、自然エネルギーを利用することが、積極的に試みられている。風力発電も、その一つであり、世界的に普及しつつある。風力発電に最適な地域は、絶え間ない強風を期待できる地域である。それ故、洋上での風力発電が実現しているし（特許文献１〜６参照）、大規模な洋上風力発電ファームが、世界的規模で計画されている。【０００３】
洋上に風力発電塔を建造する場合、風力発電塔の安定を図るために、海底の地盤に基礎構造体を打ち込む必要がある。また、風力発電機のタービン翼を、海水面から充分に高い位置に、安定的に維持するために、基礎構造体は、十分な長さすなわち高さと、剛性と、強度とを必要とする。【０００４】
そのため、風力発電塔の基礎構造体の構造は、板厚５０ｍｍ超、例えば、１００ｍｍ程度でかつ、直径４ｍ程度の大型管構造となる場合が多く、風力発電塔の全体の高さは８０ｍ以上に達する。上記管構造の他、ジャケット構造の基礎構造体が普及しつつあるが、いずれにしても、基礎構造体は大型鋼構造物である。【０００５】
このように、洋上風力発電塔は、基礎構造体を含め巨大な鋼構造物である。建造に際しては、建造現場又は建造現場近くの海岸で大型厚鋼板又は鋼管を溶接することにより行われる。そのため、大型厚鋼板又は鋼管を、簡易に、しかも、高能率で、溶接することが求められる。【０００６】
一般に、電子ビーム溶接や、レーザービーム溶接などの高エネルギー密度ビーム溶接は、被溶接材を、簡易にかつ効率的に溶接できる点で、洋上風力発電塔のような巨大鋼構造物の建造に適した溶接方法である。なお、電子ビーム（溶接）や、レーザービーム（溶接）などの高エネルギー密度ビーム（溶接）を、単にビーム（溶接）という。【０００７】
例えば、特許文献７には、多段圧縮機用ロータの製造等に適用できるビーム溶接方法が開示されている。また、ビームよけなどの処置を省略するために、突条を設けることが提案されている。しかしながら、これらの溶接方法は高真空チャンバー内で実施する必要があるので、溶接できる鋼板又は鋼管の大きさに限度がある。【０００８】
このことを踏まえ、近年、板厚１００ｍｍ程度の極厚鋼板を、効率よく、現地で溶接できる溶接方法（ＲＰＥＢＷ：Ｒｅｄｕｃｅｄ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｗｅｌｄｉｎｇ：減圧電子ビーム溶接）が提案されている（特許文献８参照）。【０００９】
ＲＰＥＢＷ法を用いれば、風力発電塔のような大型の鋼構造物を建造する場合において、溶接箇所を局所的に真空に維持して、厚鋼板を効率的に溶接できる。【００１０】
しかし、ＲＰＥＢＷ法は、高真空チャンバー内での溶接に比べ、真空度が低い雰囲気で溶接を行うので、溶融後凝固して形成される溶接金属部の靭性が劣るとの課題を抱えている。【００１１】
このような課題を踏まえ、特許文献９には、板状のＮｉなどのインサートメタルを溶接面に張り付けて電子ビーム溶接し、溶接金属中のＮｉ量を０．１〜４．５％として、溶接金属の靭性であるシャルピー衝撃値を改善することが提案されている。【００１２】
また、例えば特許文献１０には、インサートメタル材として、Ａｌ箔またはＴｉ箔を挟みこむことで、オーステナイト系ステンレス鋼材において凝固割れを防止することが提案されている。【００１３】
洋上風力発電塔は、絶えず強風に曝され、高周波数で長時間振動するので、基礎構造体の溶接部には、絶え間なく繰返し応力が作用する。このため、基礎構造体の溶接部には、通常の疲労サイクルであるメガサイクル域（１０６〜７）とはオーダーが異なるギガサイクル域（１０９〜１０）の回数の反復振動に耐える耐疲労特性が要求される。しかし、これまでギガサイクル域の反復振動に耐える耐疲労特性を考慮したビーム溶接技術は提案されていなかった。【００１４】
ジャケットと称される基礎構造体において、特に耐疲労特性が問題となるのは溶接継手部において、未溶着部が存在する場合である。そのため、未溶着部のない溶接継手を実現するために、途中まで溶接した後、溶接部分を、裏面から機械的に研削し、再度、裏面から溶接するなど、煩雑で能率の低い溶接方法が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】日本国特開２００８−１１１４０６号公報
【特許文献２】日本国特開２００７−０９２４０６号公報
【特許文献３】日本国特開２００７−３２２４００号公報
【特許文献４】日本国特開２００６−０３７３９７号公報
【特許文献５】日本国特開２００５−１９４７９２号公報
【特許文献６】日本国特開２００５−１８０２３９号公報
【特許文献７】日本国特開昭６１−２７３２７５号公報
【特許文献８】国際公開９９／１６１０１号パンフレット
【特許文献９】日本国特開平３−２４８７８３号公報
【特許文献１０】日本国特開平７−１３６７８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明では、ビーム溶接を、洋上風力発電塔の基礎構造部等のような大型鋼構造物の製造に適用した場合に、溶接効率を飛躍的に高めつつ、耐疲労特性の改善を図ることのできるビーム溶接継手を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者らは、電子ビーム等の高エネルギー密度ビーム溶接において、溶接部の耐疲労特性を高めるため、溶接されていない未溶着部がなく、溶接部の応力集中が緩和され、かつ、溶接部に作用する引張残留応力が低減されているか又は圧縮応力が残留する施工条件を鋭意検討した。【００１８】
その結果、一方の溶接継手部に、溶接部を貫通するビームを受け止めるビーム受止部を設けて溶接すると、（ｉ）溶接部に、溶接未溶着部を存在させずに、かつ、（ｉｉ−１）溶接部の引張残留応力を低減できる、又は、（ｉｉ−２）溶接部に、圧縮応力を作用させることができることが判明した。【００１９】
上記課題を解決して係る目的を達成するため、本発明は以下の手段を採用した。【００２０】
（１）すなわち、本発明の一態様に係るビーム溶接継手は、各々の長手方向端面で互いに突合わされ、少なくともこの突合せ部での板厚が相対的に異なる薄手鋼材および厚手鋼材と、前記突合せ部の片側からビームが照射されて形成された溶接金属と、を備えるビーム溶接継手であって；前記ビームの照射源から遠い側の前記厚手鋼材の突合せ端部に配置され、前記溶接金属のなす面より前記薄手鋼材側に突き出たビーム受止部が、前記厚手鋼材と一体の部位として形成され；前記溶接金属の一部が、前記ビーム受止部の内部の溶接金属先端部を形成しており；前記照射源から遠い側の前記薄手鋼材の表面である遠位面と、この遠位面と対面する前記ビーム受止部の表面であるビーム受止面とが、２０°以上８０°以下の角度αで開口する応力緩和溝を形成し；前記溶接金属先端部がなす面と前記ビーム受止面とのなす角βが３０°以上１４０°以下であり；前記溶接金属の一部が、前記応力緩和溝の底部に露出して幅０．５〜３．０ｍｍの露出部を形成している。【００２１】
（２）上記（１）に記載のビーム溶接継手では、前記薄手鋼材の前記長手方向に対する前記溶接金属のなす面の角度γが２０°以上６０°以下であってもよい。【００２２】
（３）上記（１）に記載のビーム溶接継手では、前記薄手鋼材の前記長手方向に対する前記溶接金属のなす面の角度γが７０°以上９０°以下であり；前記突合せ部における前記溶接金属の組成から下記式１により算出される変態開始温度Ｍｓが２５０℃以下であってもよい。
Ｍｓ＝３７１−３５３Ｃ−２２Ｓｉ−２４．３Ｍｎ−７．７Ｃｕ−１７．３Ｎｉ−１７．７Ｃｒ−２５．８Ｍｏ・・・（式１）【００２３】
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一項に記載のビーム溶接継手では、前記薄手鋼材および前記厚手鋼材が、厚さ１０ｍｍ以上であり、降伏強度が３５５ＭＰａ以上５９０ＭＰａ以下である、鋼板又は鋼管であってもよい。【００２４】
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一項に記載のビーム溶接継手では、前記薄手鋼材および前記厚手鋼材の組成が、Ｃ：０．０１〜０．０８質量％、Ｓｉ：０．０５〜０．８０質量％、Ｍｎ：０．８〜２．５質量％、Ｐ≦０．０３質量％、Ｓ≦０．０２質量％、Ａｌ≦０．００８質量％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０質量％を含有し；残部鉄および不可避的不純物であってもよい。【００２５】
（６）上記（５）に記載のビーム溶接継手では、前記薄手鋼材および前記厚手鋼材の組成が、さらに、Ｃｕ：０．１〜１．０質量％、Ｎｉ：０．１〜６．０質量％、Ｃｒ：０．１〜１．０質量％、Ｍｏ：０．１〜０．５質量％、Ｎｂ：０．０１〜０．０８質量％、Ｖ：０．０１〜０．１０質量％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０質量％の１種または２種以上を含有してもよい。【００２６】
（７）上記（１）〜（６）のいずれか一項に記載のビーム溶接継手は、風力発電塔の基礎部分を構成する鋼構造体又は鋼管柱に使用されてもよい。【００２７】
（８）上記（１）〜（７）のいずれか一項に記載のビーム溶接継手では、前記厚手鋼材および前記薄手鋼材がそれぞれ鋼管であり、前記長手方向が前記鋼管の管軸方向であってもよい。【００２８】
（９）本発明の一態様に係るビーム溶接継手の製造方法は、請求項１に記載のビーム溶接継手を溶接するビーム溶接方法であって、前記薄手鋼材および前記厚手鋼材に、前記突合せ部の片側から前記ビームを照射することで、前記溶接金属を形成し、前記応力緩和溝の底部に幅０．５ｍｍ〜３．０ｍｍの前記露出部を形成し、前記ビーム受止部の内部に前記溶接金属先端部を形成する。【００２９】
（１０）上記（９）に記載のビーム溶接継手の製造方法では、ビーム溶接中に、前記露出部を監視手段によって監視し、監視結果に基づき前記ビームの照射角度または照射位置を調整することによって、前記露出部の前記幅を制御してもよい。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の上記態様によれば、高強度鋼板又は大径鋼管の溶接に、ビーム溶接を適用した場合に、ギガサイクル域の振動環境における耐疲労特性が優れ、かつ、破壊靱性値δｃが十分に高い溶接継手を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】洋上発電塔のジャケット型基礎構造体の一態様を示す図である。
【図２Ａ】一般的なジャケット型基礎構造体における格点部の一態様を示す図であって、格点部の構造を示す図である。
【図２Ｂ】一般的なジャケット型基礎構造体における格点部の一態様を示す図であって、格点部の溶接継手部を示す図である。
【図２Ｃ】一般的なジャケット型基礎構造体における格点部の一態様を示す断面図であって、従来技術に係る溶接継手を示す図である。
【図３Ａ】本発明の第１の実施形態に係る、溶接金属が管軸方向に対して斜めに形成される溶接継手の一態様を示す断面図であって、溶接継手の断面態様を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示す溶接継手のＬ−Ｌ線上に作用する管軸方向の応力分布を示す図である。
【図３Ｃ】本発明の第１の実施形態に係る、溶接金属が管軸方向に対して斜めに形成される溶接継手において、応力緩和溝の底部に露出した露出部の一態様を示す図である。
【図４Ａ】上記第１の実施形態に係る溶接継手の溶接過程を示す概略断面図である。
【図４Ｂ】上記第１の実施形態に係る溶接継手の溶接過程を示す概略断面図である。
【図４Ｃ】上記第１の実施形態に係る溶接継手の溶接過程を示す概略断面図である。
【図４Ｄ】上記第１の実施形態に係る溶接継手の溶接過程を示す概略断面図である。
【図５】図３Ａに示す溶接継手の外周端部である円で囲まれた部分を拡大して示す図である。
【図６Ａ】本発明の第２の実施形態に係る、溶接金属が管軸方向に対して垂直方向に形成される溶接継手の一態様を示す概略断面図である。
【図６Ｂ】本発明の第２の実施形態の変形例に係る、溶接金属が管軸方向に対して垂直方向に形成される溶接継手の一態様を示す概略断面図である。
【図６Ｃ】溶接金属が管軸方向に対して垂直方向に形成され、かつ突出部が図面下方に突出している溶接継手の一態様を示す概略断面図である。
【図７Ａ】比較例に係るアーク溶接継手の態様を示す概略断面図である。
【図７Ｂ】比較例に係るビーム受止部、突出部及びインサート材を持たず、裏当金を有する溶接継手の態様を示す概略断面図である。
【図８】上記第１の実施形態に係る、溶接金属が傾きを持った溶接継手における残留応力の作用状況を概略断面図で説明する図である。
【図９Ａ】図２Ｂに示す溶接継手からＣＴＯＤ試験片を採取する場合の一態様を示す図である。
【図９Ｂ】図３Ａに示す溶接継手からＣＴＯＤ試験片を採取する場合の一態様を示す図である。
【図９Ｃ】図６Ａ、６Ｂに示す溶接継手からＣＴＯＤ試験片を採取する場合の一態様を示す図である。
【図９Ｄ】図７Ａに示す溶接継手からＣＴＯＤ試験片を採取する場合の一態様を示す図である。
【図９Ｅ】図７Ｂに示す溶接継手からＣＴＯＤ試験片を採取する場合の一態様を示す図である。
【図１０Ａ】図２Ｂに示す溶接継手から疲労試験用の試験片を採取する場合の一態様を示す図である。
【図１０Ｂ】図３Ａに示す溶接継手から疲労試験用の試験片を採取する場合の一態様を示す図である。
【図１０Ｃ】図６Ａ、６Ｂに示す溶接継手から疲労試験用の試験片を採取する場合の一態様を示す図である。
【図１０Ｄ】図７Ａに示す溶接継手から疲労試験用の試験片を採取する場合の一態様を示す図である。
【図１０Ｅ】図７Ｂに示す溶接継手から疲労試験用の試験片を採取する場合の一態様を示す図である。
【図１１】露出部の幅とギガサイクル下での疲労強度との関係を示す図である。
【図１２】応力緩和溝の開口角度であるαと露出部の幅との関係を示す図である。
【図１３】露出部の上方にＣＣＤカメラを設置した場合の状況を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明の一実施形態について、洋上発電塔のジャケット型基礎構造体を例に取り説明する。図１に、洋上発電塔のジャケット型基礎構造体の態様を示す。
【００３３】
この構造体では、まず直径２．５ｍの基礎スリーブ１ａの内部に直径２ｍの４本の基礎杭１が貫通しており、基礎スリーブ１ａと基礎杭１との間にはコンクリートが充填されている。基礎杭１は、杭の長さが調節され、海底地盤の上に堅固に設置されている。それぞれの基礎スリーブ１ａは、管径１．３ｍ、厚さ５０ｍｍの３本の支柱接続鋼管２ｂと連結され、３本の支柱接続鋼管２ｂは管径１．６ｍ、厚さ６０ｍｍの支柱鋼管２と連結されている。４本の支柱鋼管２は、４本の管径１．３ｍ、厚さ５０ｍｍの下枠鋼管３ａで連結されている。４本の支柱鋼管２の上部は、４本の管径０．８ｍ、厚さ４０ｍｍの上枠鋼管３ｂに連結されている。
【００３４】
４本の支柱鋼管２には、管径０．６ｍ、厚さ４０ｍｍの斜枠鋼管４ａ、４ｂが連結されている。斜枠鋼管４ａと斜枠鋼管４ｂとは互いに交差するように、連結されている。
上記構造により、洋上発電塔のジャケット型基礎構造体が構成されている。
【００３５】
以上の例は、水深が２５ｍの場合の一例である。これより水深が深い場合、用いる鋼管の径や厚みをさらに増大させて、構造をできるだけシンプルにすることによって、ジャケット構造の剛性を確保することが望まれる。従って、洋上風力発電用のジャケットでは、用いる鋼管の径や厚みが、上記説明よりも大きい場合でも、高能率で溶接施工でき、かつ、耐疲労特性を確保できる技術が必要となる。
本発明の一実施形態に係る溶接継手で使用される鋼板や鋼管の種類は、特に限定されないが、設計や溶接施工性の観点においては、好ましくは降伏強度が３５５ＭＰａ以上６９０ＭＰａ以下である。降伏強度の上限を５９０ＭＰａ又は４９０ＭＰａに制限してもよい。引張強度では、４５０ＭＰａ以上７８０ＭＰａ以下であることが好ましい。引張強度の上限を６９０ＭＰａ又は５９０ＭＰａに制限してもよい。本実施形態では、降伏強度３５５ＭＰａ以上の鋼板または鋼管を高強度鋼板・鋼管と呼ぶ。高強度鋼板としては、公知の成分組成の溶接用構造用鋼から製造したものを用いることができる。しかし、溶接性や、強度確保を鑑みた場合、Ｃ：０．０１〜０．０８質量％、Ｓｉ：０．０５〜０．８０質量％、Ｍｎ：０．８〜２．５質量％、Ｐ≦０．０３質量％、Ｓ≦０．０２質量％、Ａｌ≦０．００８質量％、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０質量％を含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなり、必要に応じてＣｕ：０．１〜１．０質量％、Ｎｉ：０．１〜６．０質量％、Ｃｒ：０．１〜１．０質量％、Ｍｏ：０．１〜０．５質量％、Ｎｂ：０．０１〜０．０８質量％、Ｖ：０．０１〜０．１０質量％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０質量％の１種または２種以上を含有する鋼を用いることが好ましい。
【００３６】
図２Ａ〜２Ｃは、一般的なジャケット型基礎構造体における格点部の一態様を示す。
支柱鋼管２に、支柱枝鋼管２ａを介して斜枠鋼管４ａ、４ｂが連結されている。この部分が例えば、図１中央の楕円Ａで囲まれた部分の格点部である。格点部における溶接継手部には、ギガサイクル域の振動に耐える耐疲労特性が要求される。
【００３７】
図２Ａに、格点部の構造の一例を示す。図２Ｂに、格点部の溶接継手部を示す。図２Ｃは、図２Ｂの円で囲った部分の断面図を示す。図２Ｃの溶接継手は、従来技術に係る構成を持つ。即ち、支柱鋼管２の支柱枝鋼管２ａに、斜枠鋼管４ａが挿入され、接合部が、アーク溶接により溶接されている。
【００３８】
高強度鋼板又は大径鋼管に対して実施されるアーク溶接は、溶接技術者に高い技能が要求される上、非能率的でかつ高コストである。また、アーク溶接継手では、内部に未溶着部などの欠陥が残る虞があり、ギガサイクル域の振動環境における耐疲労特性が、安定しない。
【００３９】
以下に説明する本発明の各態様によれば、極厚の高強度鋼板又は大径鋼管同士を、電子ビーム溶接や、レーザービーム溶接のような高エネルギー密度ビーム溶接で溶接する場合において、溶接工の技能に関わらず、安定的で効率的な施工を実現することができる。
【００４０】
本発明の一実施形態は、溶接継手において、耐疲労特性を安定的に確保するため、一方の溶接継手鋼材に、溶接部を貫通したビームを受け止めるビーム受止部を設けて電子ビーム溶接を行う。
【００４１】
本発明の一実施形態において、電子ビーム溶接としては、溶接箇所を局所的に真空に維持して、厚鋼板を効率的に溶接することができるＲＰＥＢＷ法を用いるのが好ましい。溶接対象である鋼板又は鋼管は、特定の成分組成及び／又は機械特性の鋼板又は鋼管に限定されない。鋼板及び鋼管の厚さも、特定の値に限定されない。
【００４２】
以下、図３Ａ〜６Ｂに基づいて、本発明の各実施形態に係る溶接継手を詳細に説明する。ここでは溶接継手を構成する鋼材が鋼管である例を説明するが、構成鋼材が鋼管でなく、鋼板であっても下記と同様の溶接継手構造を適用できる。
【００４３】
本発明の第１の実施形態に係るビーム溶接継手は、斜枠鋼管４ａである薄手鋼管（薄手鋼材）と支柱枝鋼管２ａである厚手鋼管（厚手鋼材）との間の突合せ溶接継手である。支柱枝鋼管２ａと斜枠鋼管４ａとは少なくともこの溶接部において板厚が異なり、斜枠鋼管４ａが支柱枝鋼管２ａよりも薄い。ただし、溶接部と離れた部分では、支柱枝鋼管２ａと斜枠鋼管４ａの板厚は同じでも良く、異なっていても良い。この突合せ部に、突合せ部と略平行な照射方向にビームを照射することによって溶接金属７が形成されている。支柱枝鋼管２ａには、溶接金属７の部分を貫通したビームの照射を受け止める部位であるビーム受止部５が形成されている。ビーム受止部５は、ビームをさらに効率よく受け止めるため、支柱枝鋼管２ａと斜枠鋼管４ａとの溶接面より図３Ａの上方、すなわち支柱枝鋼管２ａから斜枠鋼管４ａへ向かう方向に突出する突出部５ａを有している。また、このように突出部を設けることで、後述する応力緩和溝の開口角度αを容易に所定の角度にすることができる。
【００４４】
本実施形態では突出部５ａは断面視して台形のフランジ状部位であり、管軸方向に平行な内周面と、管軸方向に直角方向な上面と、外周面となるビーム受止面４１を有する。なお、この上面はなくても本実施形態の効果を損なうものではない。
このビーム受止部５は支柱枝鋼管２ａと一体の鋼材である。ビーム受止部５は、支柱枝鋼管２ａの一端部である突合せ部に隣接しており、支柱枝鋼管２ａの内側側面からビームの照射源と反対側（照射源から遠い側）の方向に突出している。ビーム受止部５は、ビーム照射面（つまり、支柱枝鋼管２ａと斜枠鋼管４ａとの突合せ面、あるいは溶接金属７のなす面）と交差して、ビーム照射面よりも斜枠鋼管４ａ側にまで突出している。ビーム受止部５（突出部５ａを含む）の形成は、切削等、通常の機械加工によって行うことができる。この構成によって、溶接金属７の部分を貫通したビームはビーム受止部５（突出部５ａを含む）の一部によって受け止められる。
図３Ａは、第１の実施形態に係る溶接継手において、溶接継手の管軸方向に沿った断面を示す模式図である。図３Ａにおいて図面右側が管外側、図面左側が管内側を示す。図３Ａは、この実施形態の溶接継手において、図２Ｂの円で囲った部分Ｂと対応する部位を示す。
【００４５】
以降、ビーム照射方向に沿って、前方側（ビーム照射源から遠い側）のビーム受止部５の内部に位置し、ビーム受止部５を貫通していない溶接金属７を溶接金属先端部５ｘと称する。つまり、突合せ部に照射されたビームは、突合せ部を超え、ビーム受止部５の内部まで到達して溶接金属７を形成する。つまり、溶接金属７の溶接金属先端部５ｘは、ビーム受止部５の内部に形成されている。この溶接金属先端部５ｘは、後述する溶融・凝固部５ｘと同じ箇所である。
【００４６】
本発明の各実施形態では、１０ｍｍ以上、望ましくは２０ｍｍ以上の板厚を持つ鋼管を用いると、本発明の実施形態における作用効果がより顕著になる。
本実施形態の溶接継手は、ビーム受止部５を溶接継手の内側に備える。ビーム受止部５を溶接継手の外側に備えることも可能であり、その場合はビームを溶接継手内側から外側に向けて照射すればよい。
【００４７】
本実施形態では、図３Ａに示すように、斜枠鋼管４ａの内周面４２に面する突出部５ａの外周面４１は、上方ほど管軸に近づくように傾斜している。この突出部５ａの外周面４１と斜枠鋼管４ａの内周面４２との間は離間している。この傾斜のため、突出部５ａの外周面４１が支柱枝鋼管２ａに近接する下端では、溶接金属７と突出部５ａの外周面は隣接している。すなわち、斜枠鋼管４ａの内周面であり、ビームの照射源から遠い側の表面である遠位面４２と、突出部５ａの外周面とが、一定の角度を為して開口することで、応力緩和溝４３を形成している。また、突出部５ａの外周面４１は、ビームが照射された際、ビーム受止面４１となる。
【００４８】
図３Ａに示すように、露出部７ａを除く溶接金属７のなす面と管軸方向とのなす角（溶接金属の傾斜角度）をγ、溶接金属先端部５ｘがなす面（露出部７ａを除く溶接金属７のなす面と同じ）とビーム受止面４１（突出部５ａの外周面）とのなす角をβ、斜枠鋼管４ａ（薄手鋼材）の遠位面４２と、ビーム受止面４１とがなす角（つまり応力緩和溝４３の開口角度）をαとする。ここで、γは、０≦γ≦９０°の範囲で定義される角度である。
ここで、α、βは各面同士が接する部位での角度と定義される。例えば、ビーム受止面４１が溶接金属７から離れるに従って徐々に湾曲していてもよい。
【００４９】
図３Ｂは、管軸方向に平行な線（図３ＡのＬ−Ｌ線）に沿って、この溶接継手に作用する管軸方向の応力の分布を示す。縦軸はＬ−Ｌ線上の位置を示し、横軸が管軸方向の応力σｙｙの大きさを示す。
【００５０】
図３Ｃに示すように、溶接金属７の一部は、応力緩和溝４３の底部に露出して露出部７ａを形成している。つまり、図３Ｃでは、溶接金属７は、突合せ部の内部に位置する部分と、溶接金属先端部５ｘと、露出部７ａの３つの部分に分けられる。
【００５１】
図４Ａ〜図４Ｄを用いて、本実施形態の溶接継手を形成する溶接の過程を説明する。図４Ａに示すように、この溶接継手は、溶接面が傾斜した支柱枝鋼管２ａと、同じく溶接面が傾斜した斜枠鋼管４ａとを含む。支柱枝鋼管２ａと斜枠鋼管４ａとは、互いの管軸が一致するように軸合わせされる。このとき、図４Ｂに示すように、突合せ面、すなわち溶接面の全体または一部に、後述するＮｉ系合金のインサート材６を配置してもよい。インサート材を用いる場合はこれを挟むように、支柱枝鋼管２ａの溶接面と斜枠鋼管４ａの溶接面とが突き合わされる。この突合せ面に、図４Ｃの矢印Ｂに示す径方向外側の表面からＲＰＥＢＷ法などの電子ビーム溶接や、レーザービーム溶接のような高エネルギー密度ビームが照射され、突合せ面が溶接される。この時、ビームによって溶融され、再凝固して形成された部分が溶接金属７となる。溶接時のビームは、図面右側で示した鋼管外側から溶接面に沿って発射される。溶接時のビームは、溶接金属７の部分を貫通して、ビーム受止部５によって受け止められる。
【００５２】
上記の工程を経て形成された溶接継手において、ビーム受止部５は、溶接金属７のビームの照射方向の遠位側である鋼管内側の端を覆っている。本実施形態では、ビーム受止部５は、支柱枝鋼管２ａの内径を斜枠鋼管４ａの内径よりも小さくし、支柱枝鋼管２ａ内壁を内側に厚さを厚くすることによって形成されている。つまり溶接金属７の近傍において、支柱枝鋼管２ａは斜枠鋼管４ａより厚い。また、ビーム受止部５の突出部５ａは、支柱枝鋼管２ａから斜枠鋼管４ａへ向かう方向に形成されている。斜枠鋼管４ａの内表面の延長面を基準として、支柱枝鋼管２ａの内表面はより内側、すなわち管軸の近くに位置する。支柱枝鋼管２ａにおいて、斜枠鋼管４ａの内表面の延長面よりも内側に突出している部分がビーム受止部５となる。ビーム受止部５の管径方向の厚さは、溶接金属７の幅、すなわちビード幅の少なくとも２倍以上に形成するのが好ましい。上記構成によれば、ビームがビーム受止部５を貫通することを防止できる。ビーム受止部５の管径方向の厚さは、溶接金属７の幅の５倍以上又は７倍以上であることがより好ましい。ビーム受止部５の管径方向の厚さを、３ｍｍ以上、５ｍｍ以上、１０ｍｍ以上、２０ｍｍ以上又は４０ｍｍ以上としても差し支えない。特に上限を定める必要はないが、経済性を考慮して、溶接金属７の幅の１０倍以下又は２０倍以下としてもよい。
上述したように、ビームを内側から照射する場合には、ビーム受止部５は、鋼管の外側に突出するように設けてもよい。いずれの場合も、ビーム受止部５は、支柱枝鋼管２ａと連続した一体の鋼材の一部である。
【００５３】
ビーム受止部５のうち、溶接金属７のなす面の延長上に位置し、溶接金属７に隣接する領域は、溶接時に溶接金属７の部分を貫通したビームを受け止める。このビームを受け止めた部分は加熱され、溶融し、ビームの照射終了後に再凝固する。その結果、図４Ｄに示す溶融・凝固部５ｘ、が形成される。つまり、溶接金属７の溶接金属先端部５ｘは溶融・凝固部５ｘとなる。溶融・凝固部５ｘは、溶接部に残留する引張応力を低減するか、又は、溶接部に圧縮応力を残留させる作用を持つ。
【００５４】
本実施形態の溶接継手は、上記のように溶接金属７に隣接するビーム入射方向の延長線上にビーム受止部５を有する。さらに、溶接条件によっては、溶融・凝固部５ｘが溶接金属７のビームの照射源から遠い側に生じる。また、溶接金属７の一部が、応力緩和溝４３の底部に露出して露出部７ａを形成している。上記の構成とすることで、以下の効果が発生することを本発明者らは見出した。
【００５５】
（ｉ）鋼管内側に裏当金を正確に配置するためには仮付け溶接等の煩雑な作業が必要であり、裏当金と鋼管との間に隙間が生じた場合、不安定な溶接となる。鋼管内側に配置される裏当金は、溶接後に除去するのが困難な場合が多く、裏当金と鋼管内部の間隙が応力集中の原因となり、耐疲労特性を低下させる原因となる。本実施形態の構成を用いることによって、裏当金を用いることなく、片面からの貫通溶接が可能となる。ビーム受止部５は、鋼管と一体に形成されているため、溶接時に位置合わせを行う必要が無い。一体形成することによって、鋼管とビーム受止部５との間では、鋼管と裏当て金の間に生じるような不安定な溶接等の問題が発生しないため、高い耐疲労特性が得られる。
【００５６】
（ｉｉ）鋼管外側からビーム溶接を行った場合、溶接金属７のうち、鋼管内壁付近の部位である溶接金属先端部５ｘは、ビーム発生源から離れた位置にある。溶接金属先端部５ｘより遠位の空間はビームによって加熱されないため、溶接金属先端部５ｘには、ビームのエネルギーが到達しにくい。このため、ビーム受止部５が存在しない場合、溶接先端部分は不安定な溶接となり易く、溶接欠陥が発生しやすい。一方、ビーム受止部５や溶接金属先端部（溶融・凝固部）５ｘが存在する場合、これらの部位がビームを受けることによって加熱され、ビーム受止部５が受容した熱は溶接金属先端部５ｘに伝達される。これによって溶接金属先端部５ｘの安定した溶接を行うことができる。ビーム受止部５または溶接金属先端部（溶融・凝固部）５ｘは、斜枠鋼管４ａの内径よりも内側に位置するため、斜枠鋼管４ａから管軸方向に沿って伝達される応力はこれらの部位を直接通過しない。従って、ビーム受止部５または溶接金属先端部（溶融・凝固部）５ｘの形成によって耐疲労特性が向上する。
ビーム受止部５は、支柱枝鋼管２ａの一部として形成された後、支柱枝鋼管２ａの上端の溶接面の加工と同様に、切削等の通常の機械加工によって整形される。
【００５７】
（ｉｉｉ）露出部７ａは、応力緩和溝４３における応力集中を低減し、構造物の安全性を向上させるために重要である。露出部７ａは、応力緩和溝４３の延びる方向（厚手鋼材・薄手鋼材が鋼管の場合はその周方向、鋼板の場合はその幅方向）に沿った帯状である。しかし、露出部７ａの幅７ｂが０．５ｍｍ未満では切欠き効果によって応力が集中するため耐疲労特性が低下する。一方、露出部７ａの幅７ｂが３．０ｍｍ超では、溶接欠陥が発生しやすくなる。図１１に示すように、露出部７ａの幅７ｂが、０．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下となる露出部を形成するとすることで、疲労強度が著しく向上する。露出部７ａは、鋼管の内側の全周囲に渡って形成されていることが好ましいが、全周囲のうち、９０％以上に形成されていればその効果を得ることができる。
【００５８】
露出部の幅は、溶接される継手の形状に応じて、予めビーム照射角度、照射位置などを設定することで制御することができる。しかしながら、例えば、ビーム溶接中にカメラ等でビードを監視（観察）し、その監視結果に基づいて照射角度や照射位置を随時調節することで、露出部の幅をさらに精度よく制御することができる。
また、例えば鋼管を外側からビームを照射して溶接する場合、鋼管の内側の直接監視は困難な場合がある。例えば図１３のように、鋼管内部にＣＣＤカメラ１００を設置することで、鋼管内部の溶接部の外観を直接監視することができ、品質保証にも有効である。
【００５９】
本発明者らは、図３Ｂに示すように、格点部の板厚を管軸方向に沿って変化させると、特に、耐疲労特性上問題となる溶融・凝固部５ｘにかかる応力を低下させることができ、さらに、管軸方向の残留応力σＲｙｙも低下させることができることを知見した。具体的には、図３Ａに示す溶接継手において、図面上部では、管壁の板厚が比較的薄いため、管軸方向に沿って付加される単位面積当たりの応力が比較的大きい。一方、溶融・凝固部５ｘを含む図面下部では、管壁の板厚がより厚いため、付加される管軸方向の応力は比較的小さい。
【００６０】
上記溶融・凝固部５ｘが、溶接継手の耐疲労特性の向上に有効に機能する理由は、次のように考えられる。
【００６１】
本実施形態では、ビーム溶接を用いているので、溶接金属７の幅が、アーク溶接等の通常の溶接継手よりも狭くなる。このため、溶接金属７を管軸方向と直角ではない方向に傾けて形成する継手設計が容易になる。溶接金属７が傾きを持っている場合、以下に説明するように、ギガサイクル域の振動環境における耐疲労特性が向上する。
【００６２】
一般にジャケット型基礎構造体などの構造体では、ギガサイクル域の振動は、主に管軸方向に沿って伝達される。
一方、一般には、継手の溶接に伴って溶接金属が収縮すると、溶接金属のなす面に垂直な引張残留応力σＲが発生し、この方向の振動に対する耐疲労特性が著しく低下する。しかし、溶接金属７のなす面と管の長手方向と一致する管軸方向との角γが９０°でない場合、図８に示すように、引張残留応力σＲは、管軸方向から逸れた方向に生じる。ここで、γは、０≦γ≦９０°の範囲で定義される角度である。溶接金属７のなす面が傾く向きは、ビーム照射方向が管径方向外側から内側向きの照射である場合、溶接金属７のなす面の内側端が厚手鋼管である支柱枝鋼管２ａ側に近づくように傾斜させるのが好ましい。傾斜がこの方向であれば、溶接時に溶接部を貫通したビームがビーム受止部５に確実に受け止められる。
【００６３】
上記引張残留応力σＲの大きさをｒとすると、σＲのうち管軸方向に沿う成分σＲｙｙの大きさは、ｒ×ｓｉｎγになり、この値はｒより小さい。具体的には、溶接金属７のなす面と管軸方向である管の長手方向がなす角度γは、２０°〜６０°であることが望ましい。γが６０°以下であると、上記の応力軽減効果が十分に期待でき、ギガサイクル域の振動環境における耐疲労特性が著しく向上する。一方、γが小さくなるに従い、溶接金属７の長さが鋼管の板厚よりも長くなる。しかし、γが２０°以上であれば、溶接金属７の長さが長くなり過ぎず、端部の成型や溶接に必要な時間やコストを抑制できる。上記溶接継手を構成する鋼材が鋼管でなく、単なる板状の薄手鋼材および厚手鋼材である場合、上記溶接金属７のなす面と上記薄手鋼材および上記厚手鋼材の長手方向とがなす角度をγとする。何故なら、一般的に構造物の主応力方向は、使用される鋼材の長手方向であるからである。
さらに、溶融・凝固部５ｘを形成した場合、その近傍では、溶接金属７の溶接ビードの拘束が小さいため、発生する引張残留応力σＲ自体も小さくなる。
【００６４】
溶接金属７の溶接金属先端部がなす面とビーム受止面４１とのなす角βは、３０°以上１４０°以下とする。βが３０°未満では溶接ビードの先端の一部が、ビーム受止部から外れてしまい、ビーム受止部が十分な効果を発揮することができない虞がある。一方、１４０°超では、α、γが好ましい範囲を満足できなくなる。
薄手鋼材（斜枠鋼管４ａ）の内周面、つまりビームの照射源から遠い側の表面である遠位面４２と、この遠位面４２と対面するビーム受止部の表面であるビーム受止面４１とがなす角α、すなわち、応力緩和溝４３の開口角度は、２０°以上８０°以下とする。αが２０°未満では応力集中が大きくなり応力緩和溝４３の底部にかかる応力が増大し、疲労特性が低下する。また、図１２に示すように、αと露出部の幅とは相関を有する。上述の通り、疲労強度向上の観点から露出部の幅を０．５〜３．０ｍｍとすることが有効であり、そのために、αは、２０°以上８０°以下とする。さらに、γを８０°以下の鋭角にすることで、厚手鋼材と薄手鋼材とが突合せ部での位置合わせが容易となる。より望ましくは、αが、２５°以上６０°以下である。α、βが上記の範囲を外れた場合、溶接ビームが不安定になり、熱影響部が広くなることで、破壊靭性が低下する虞がある。
【００６５】
図３Ａに示す溶接継手においては、支柱枝鋼管２ａと斜枠鋼管４ａの突合せ面である溶接面が、鋼管の内外周で過不足なく整合しているが、溶接面は、溶接前、鋼管の外周で、必ずしも一致させる必要はない。
【００６６】
このような場合の溶接前後の態様を、図５に示す。図５は、図３Ａに示す溶接継手の外周端部であり、図３Ａ中の円Ｃで囲んだ部分の拡大図である。図５に示すように、溶接前の支柱枝鋼管２ａの溶接面は、斜枠鋼管４ａの溶接面より外側に突き出ていてもよい。つまり、突合せ部分の外側において、溶接前の支柱枝鋼管２ａの溶接面の最外周部の径が斜枠鋼管４ａの溶接面の最外周部の径よりも大きくてもよい。この場合、溶接前の支柱枝鋼管２ａの溶接面の最外周部２ａ´は、斜枠鋼管４ａの溶接面から外側に突出する突出部分となる。
【００６７】
上記突出部分は、図５に示すように、溶接時にビームで溶融されて、溶接前の支柱枝鋼管２ａと斜枠鋼管４ａの端部を滑らかに覆って凝固する。このため、上記突出部分の存在は、溶接部における管軸方向である管の長手方向の引張残留応力の低減、又は、圧縮応力の残留に、大きく寄与する。なぜなら、上記突出部分が無い場合、溶接面の最外部に凹部が生じやすく、この凹部に応力が集中して、疲労破壊を引き起こす虞がある。上記突出部分が存在することによって、このような凹部の形成を防ぐことができるためである。この構成は、鋼材の追加を行わないビーム溶接において特に明確な効果を生じる。上記突出部分の突出量、すなわち溶接前の支柱枝鋼管２ａの外径と斜枠鋼管４ａの外径との差は、板厚等の条件によって適宜定めることができる。例えば、２０ｍｍ超の高強度鋼板または鋼管の継手の場合、上記突出部分の突出量は３ｍｍ以上１０ｍｍ以下とするのが好ましい。なお、逆に、ビームの照射を内側から行い、ビーム受止部が外側にある場合には、溶接前の支柱枝鋼管２ａの溶接面が内側に突き出ていてもよい。
【００６８】
図６Ａに、本発明の第２の実施形態に係る溶接継手の態様を示す。本実施形態では、溶接金属７が水平である、すなわち管軸に対して垂直に交わる点が前述した第１の実施形態と相違する。この溶接継手では、第１実施形態と同様に、鋼管内側の厚肉部であるビーム受止部５が形成され、ビーム受止部５は、支柱枝鋼管２ａと斜枠鋼管４ａとの溶接面より図６Ａの上方、すなわち支柱枝鋼管２ａから斜枠鋼管４ａへ向かう方向に突出する突出部５ａを有している。
前述したように、本実施形態に係る溶接継手においても、溶接金属７に続いて形成される溶融・凝固部５ｘは、溶接金属７に残留する引張応力を低減するか、又は、溶接金属７に圧縮応力を残留させる作用を持つ。
【００６９】
第２の実施形態の変形例として、図６Ｂに示すように、溶接前に、支柱枝鋼管２ａと斜枠鋼管４ａとの突合せ面の一部または全体に、後述するインサート材６を配置してもよい。インサート材６を配置する場合には、突合せ面の内周端部に配置する方が効果は大きい。ビームの照射が照射されるとインサート材６は溶融し、後述する低温変態部６ｘが形成される。低温変態部６ｘには、圧縮応力が残留する。図６Ａ、６Ｂでは、溶接金属７が管軸方向に垂直に形成されているが、インサート材６を用いる場合は、支柱枝鋼管２ａの長手方向である管軸方向と溶接金属７とのなす角をγとすると、γは７０°以上９０°以下とするのが好ましい。γを７０°以上９０°以下とすることで、低温変態部に生じる残留圧縮応力の管軸方向成分が大きくなり、この方向の振動に対する耐疲労性が向上する。γは、０≦γ≦９０°の範囲で定義される角度である。
また、例えば、αが９０°超の場合には、図６Ｃのように突出部が支柱枝鋼管２ａと斜枠鋼管４ａとの溶接面より図の下方、すなわち支柱枝鋼管２ａから斜枠鋼管４ａへ向かう方向に突出する。図６Ｃのような場合、貫通する溶接ビームを受け止めることはできない。
【００７０】
上記の構成によって得られる、本発明の各実施形態に係る溶接継手は、耐疲労特性、特に、ギガサイクル域の振動環境における耐疲労特性が極めて優れている。
【実施例】
【００７１】
次に、本発明の実施例について説明する。実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。例えば、本実施例では鋼管を電子ビーム溶接により溶接しているが、鋼板を用いた場合でも同様の効果が得られる。【００７２】
ビーム溶接の一例として電子ビーム溶接を採用し、表１に示す鋼種を有する鋼材ａと鋼材ｂを用いて、表２に示す条件で、ジャケット格点部と、ジャケットノードである厚手大径鋼管を溶接した。なお、ビーム溶接の条件は以下の通りとした。ビーム溶接に際して、鋼材ａと鋼材ｂは同じ鋼種を用いている。
Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ  ｖｏｌｔａｇｅ：８０ｋＶ
Ｂｅａｍ  ｃｕｒｒｅｎｔ：２００ｍＡ
Ｗｅｌｄｉｎｇ  ｓｐｅｅｄ：１８０ｍｍ／ｍｉｎ
Ｗｏｒｋ  ｄｉｓｔａｎｃｅ：５２１ｍｍ
Ｂｅａｍ  ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ：Ｌｉｎｅａｒ
Ｃｈａｍｂａｒ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ：０．０２Ｐａ
Ｐｒｅｈｅａｔ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ：Ｎｏｎｅ
溶接部の残留応力を歪解放法により測定した結果を、表２に示す。【００７３】
【表１】
2013179461.tif 000003
【００７４】
【表２】
2013179461.tif 000004
【００７５】
表２について、説明する。
本実施例において使用した継手タイプは、図３Ａ、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図７Ａ、図７Ｂである。図７Ａ、図７Ｂはビーム受止部、突出部及びインサート材を持たない比較例である。
図３Ａ、図６Ａ、図６Ｂにおける符号５、５ａの領域がビーム受止部となる部分である。
本実施例で使用したインサート材は、Ａ：１００％Ｎｉ箔、Ｂ：５０％Ｎｉ−５０％Ｃｒ箔の２種類である。インサート材の厚さはいずれも５０μｍのものを用いた。【００７６】
残留応力は、溶接金属から３ｍｍ離れた領域に添付した歪ゲージにより測定した。ただし、管軸方向の応力値に換算して表示している。
溶接金属の変態温度は、溶融部の化学組成成分（質量％）から下記（式１）により算出される変態開始温度Ｍｓ（℃）である。
Ｍｓ＝３７１−３５３Ｃ−２２Ｓｉ−２４．３Ｍｎ−７．７Ｃｕ−１７．３Ｎｉ−１７．７Ｃｒ−２５．８Ｍｏ・・・（式１）【００７７】
破壊靭性値は、図９Ａ〜図９Ｅに示す要領で採取したＣＴＯＤ試験片１１から得られた０℃の限界ＣＴＯＤ値である。ここで言う限界ＣＴＯＤ値は、５サンプル試験した最低値を意味する。ここで、ＣＴＯＤ試験方法は、ＢＳ７４４８に準拠して実施した。【００７８】
２×１０６回の継手疲労強度は、図１０Ａ〜図１０Ｅに示す要領で採取した継手疲労試験片１０の２×１０６回の疲労強度である。【００７９】
超音波疲労試験での低下率は、図１０Ａ〜図１０Ｅに示した位置から採取した超音波疲労試験片９での２×１０６回と２×１０９回の疲労強度との比である。【００８０】
ギガサイクル下での継手疲労強度は、継手疲労試験片１０より求めた２×１０６回の継手疲労強度に超音波疲労試験での低下率を乗じることで求めた推定値である。【００８１】
継手番号１〜継手番号１６の発明例、継手番号１７〜継手番号３０及び継手番号３５〜継手番号３７の比較例には、図３Ａ、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃに示す溶接継手を採用した。継手番号２４〜継手番号３０については、応力緩和溝の開口角度が９０°以上であり、突出部の突出方向が管軸方向に直交する方向、もしくは、図面下方へ向かう方向である。また、継手番号２４及び継手番号２６〜継手番号３０については、ビーム溶接の照射方向と突出部の形状との関係により、突出部がビーム受止部として作用しない。継手番号３１〜３４の比較例には、図７Ａ及び図７Ｂに示す溶接継手を使用した。図７Ａは、Ｖ開先の多層盛アーク溶接であり、ビーム受止部、突起部およびインサート材を持たない。図７Ｂは、図３Ａの溶接継手と類似の形状であるが、ビーム受止部、突起部およびインサート材を持たない。【００８２】
図９Ａ〜図９Ｅに示す要領で、各実施形態および比較例の溶接継手からＣＴＯＤ試験片１１をそれぞれ５サンプル採取した。ＣＴＯＤ試験片１１は、鋼管継手部分の径方向板厚になるべく近い幅Ｗを持つように採取し、長さ５Ｗ×幅Ｗ×厚さ０．５Ｗの寸法とした。定法にならって、試験片の長手方向中央部、幅方向片側から深さ０．５Ｗの切り込みを形成した。図９Ａ〜図９Ｅ中点線の矩形はＣＴＯＤ試験片１１の全体の輪郭を模式的に示す。また、水平線はＣＴＯＤ試験片１１に形成する切り込みの位置を模式的に示す。これらの試験片を用い、０℃において、各サンプルのＣＴＯＤ試験を実施し、５サンプルの試験結果中の最低値を表２に示した。【００８３】
図１０Ａ〜図１０Ｅに示す要領で、溶接継手から継手疲労試験片１０を採取した。図１０Ａに示すように、採取した継手疲労試験片１０の管軸方向両端にそれぞれチャック部１０ｂを溶接し、これらのチャック部１０ｂを介して疲労試験機に装着した。そして、軸力、応力比０．１、繰り返し速度５Ｈｚの条件で継手疲労試験片１０の疲労試験を行い、２×１０６回の疲労強度を求めた。その結果を表２に示す。【００８４】
上記の継手疲労試験片１０とは別に、図１０Ａ〜図１０Ｅに示す要領で、各溶接継手から超音波疲労試験片９を採取した。この超音波疲労試験片９によって２×１０６回のメガサイクルでの疲労強度、及び、２×１０９回のギガサイクルでの疲労強度を求めた。そしてメガサイクルでの疲労強度を基準としたギガサイクルでの疲労強度比率である低下比率を求めた。次に、継手疲労試験で求めた２×１０６回の疲労強度に、上記の低下比率を掛けて、ギガサイクル下での継手疲労強度の推定値を算出し、表２に示した。
溶接金属７のなす面が管軸に対して垂直である場合でも垂直でない場合でも、超音波疲労試験片９は、管軸方向に沿って採取した。【００８５】
継手番号１〜継手番号１６は、いずれもδｃが０．３０ｍｍ以上の破壊靭性値でかつ、ギガサイクル下での疲労強度が１４０ＭＰａ以上あり、優れた特性を示した。【００８６】
継手番号１７〜継手番号３０、継手番号３５〜継手番号３６は、α及び、露出部の幅が本発明の範囲を外れている、また、継手番号２４、２６〜継手番号３０については、さらに、ビーム受止部を有していない。その結果、破壊靭性値及びギガサイクル下での疲労強度が低かった。【００８７】
継手番号３１は、図７Ａに示す比較例の形状を持つ、Ｖ開先に多層盛のアーク溶接を施した継手である。そのため、引張残留応力値が高く、破壊靭性値、ギガサイクル下での継手疲労強度が低かったと考えられる。
継手番号３２〜継手番号３４は、図７Ｂに示すビーム受止部を持たず、裏当金を用いた電子ビーム溶接継手である。裏当金に起因する応力集中や不安定な溶接により、破壊靭性値、ギガサイクル下での継手疲労強度が低かったと考えられる。【００８８】
継手番号３７は図６Ａの形状を持つ電子ビーム溶接継手の発明例であるが、ビーム受止角度βが、本発明の範囲外である。このため、継手疲労強度は低くなったと考えられる。【００８９】
以上の結果から、本発明の各態様に係る溶接継手は、耐疲労特性に優れている。【００９０】
なお、本発明の溶接継手の各態様は、以下の各構成を取ることもできる。
（１）高エネルギー密度ビームを溶接部に照射して溶接した溶接継手において、一方の継手鋼材が、溶接部を貫通した高エネルギー密度ビームを受け止めたビーム受止部を、前記一方の継手鋼材と一体に備えた耐疲労特性に優れた高エネルギー密度ビーム溶接継手。【００９１】
（２）前記ビーム受止部に、溶接部に続く溶融・凝固部が形成されている前記（１）に記載の耐疲労特性に優れた高エネルギー密度ビーム溶接継手。【００９２】
（３）前記ビーム受止部は、継手鋼材の片側を厚くして形成したものである前記（１）又は（２）に記載の耐疲労特性に優れた高エネルギー密度ビーム溶接継手。【００９３】
（４）前記ビーム受止部が、溶接面の上に突出する突出部を備える前記（１）又は（２）に記載の耐疲労特性に優れた高エネルギー密度ビーム溶接継手。【００９４】
（５）前記溶接部と管軸方向のなす角度θが、２０°〜６０°である前記（４）に記載の耐疲労特性に優れた高エネルギー密度ビーム溶接継手。【００９５】
（６）前記溶接部と管軸方向のなす角度θが、７０°〜９０°であり、この溶接部が、２５０℃以下の温度域で変態した溶接部である前記（４）に記載の耐疲労特性に優れた高エネルギー密度ビーム溶接継手。【００９６】
（７）前記溶接継手が、厚さ４０ｍｍ超の高強度鋼板又は鋼管を溶接したものである前記（１）〜（６）のいずれか一項に記載の高エネルギー密度ビーム溶接継手。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
前述したように、本発明によれば、高強度鋼板又は鋼管の溶接に、ビーム溶接を適用して、ギガサイクル（１０９〜１０）域の振動環境における耐疲労特性が優れ、かつ、破壊靱性値δｃが十分に高い溶接継手を提供することができる。よって、本発明は、大型構造物建造産業において利用可能性が高い。
【符号の説明】
【００９８】
１    基礎杭
１ａ    基礎スリーブ
２    支柱鋼管
２ａ    支柱枝鋼管
２ｂ    支柱接続鋼管
２ａ´    溶接前の支柱枝鋼管の溶接面の最外周部（突出部分）
３ａ    下枠鋼管
３ｂ    上枠鋼管
４ａ、４ｂ    斜枠鋼管
５    ビーム受止部
５ａ    突出部
５ｘ    溶接金属先端部（溶融・凝固部）
６    インサート材
６ｘ    低温変態部
７    溶接金属
８    裏当金
９    超音波疲労試験片
１０    継手疲労試験片
１０ｂ    チャック部
１１    ＣＴＯＤ試験片
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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