(57)【要約】      （修正有）【課題】鋼材を溶接するにあたって、靭性に優れた熱影響部を得ることができる溶接方法、およびその溶接方法で形成される溶接継手、溶接構造物を提供する。【解決手段】開先を設けた鋼材１の溶接方法において、開先およびその周辺部に予め冷間で予歪み３を付与した後に、溶接を行なう。予歪みを付与する手段は、鋼材の厚みを冷間で減厚する加工（たとえばプレス加工、パンチ加工等）とし、板厚方向に変形させることが好ましい。無論、幅方向でも同等の効果が得られる。鋼材１に開先を設け、次いで次式に従い、予歪みを付与する。相当塑性ひずみε（％）＝１．１５×ｌｎ（１−ｒ）、圧下率ｒ＝Δｈ／ｈ０、ｈ０：予歪みを付与する前の鋼材の厚み（ｍｍ）、Δｈ：予歪みを付与することによる減厚量（ｍｍ）【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開先を設けた鋼材の溶接方法において、前記開先およびその周辺部に予め冷間で予歪みを付与した後に、溶接を行なうことを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載の溶接方法を用いて形成したことを特徴とする溶接継手。
【請求項３】
請求項２に記載の溶接継手を有することを特徴とする溶接構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、靭性に優れた熱影響部を得るための溶接方法、およびその溶接方法で形成される溶接継手、ならびにその溶接継手を有する溶接構造物に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
橋梁や船舶に使用される鋼板、建築物に使用される形鋼、およびエネルギー輸送に使用される鋼管等（以下、鋼材という）を溶接して構築する溶接構造物において、高強度の鋼材を使用するための様々な技術が開発されている。一方で、これらの鋼材の強度を高めることによって、その他の機械的特性の劣化（たとえば靭性低下等）を引き起こし、ひいては溶接構造物全体の耐震性や耐久性に悪影響を及ぼすことが知られている。
【０００３】
したがって、溶接構造物に用いる高強度の鋼材に要求される機械的諸特性は厳しくなっており、とりわけ溶接部（たとえば溶接金属、熱影響部等）の靭性に対する要求は極めて厳格である。溶接部の中でも熱影響部は、溶接によって必然的に発生する熱が鋼材に影響を及ぼす部位であり、機械的諸特性を向上した高強度の鋼材であっても、熱影響部という限られた部位の靭性が局所的に低下するという問題がある。
【０００４】
そこで、熱影響部の靭性低下を抑制する溶接技術が検討されている。
たとえば特許文献１、２には、鋼材にTiやREMを添加して、微細な硫化物や酸化物を分散させることによって、ピンニング効果を発揮させ、オーステナイト粒（以下、γ粒という）の粗大化を抑制する技術が開示されている。つまり熱影響部のγ粒径の増大を防止して、熱影響部の靭性を確保する技術である。
【０００５】
特許文献３、４には、鋼材にBを添加することによって、旧γ結晶粒界から析出するフェライトの粗大化を抑制し、Caを添加することによって、Ca酸化物を核としてγ粒内に微細なフェライトを生成させて、熱影響部の靭性を確保する技術が開示されている。
また特許文献５には、細径の溶接ワイヤを使用して溶込みを深くすることによって、溶接入熱を低減し、熱影響部のγ粒径の増大を防止して、熱影響部の靭性を確保する技術が開示されている。
【０００６】
これらの技術は、いずれも鋼材に合金元素を添加して、靭性低下の原因となるγ粒の粗大化を防止するものである。しかし、鋼材の成分設計（たとえば合金元素の添加量を増加する、添加する合金元素の種類を増やす等）のみでは、鋼材の高強度化と、熱影響部の靭性向上とを両立させることは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭50-33920号公報
【特許文献２】特開昭60-184663号公報
【特許文献３】特開2007-277681号公報
【特許文献４】特開平5-287374号公報
【特許文献５】特開2006-272377号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、従来の技術の問題点を解消し、鋼材を溶接するにあたって、靭性に優れた熱影響部を得ることができる溶接方法、およびその溶接方法で形成される溶接継手、ならびにその溶接継手を有する溶接構造物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】
【０００９】
本発明者は、高強度の鋼材に開先を設けて、溶接することによって生じる熱影響部の靭性を向上する技術について検討した。そして、開先周辺部のみの成分を局所的に変更することは困難であることから、鋼材全体の成分を設計するという従来の技術では、局所的な熱影響部の靭性向上と全体の強度向上とを両立させて顕著な効果を得ることは期待できないことが分かった。
【００１０】
そこで本発明者らは、開先の周辺部に適正な金属組織を生成させる技術を詳細に研究した。その結果、鋼材に開先を設けて、さらに開先とその周辺部に予め冷間で歪み（以下、予歪みという）を付与して溶接の熱によって生成するγ結晶粒を微細化することによって、局所的に金属組織を調整した後に、溶接を行なうことによって、熱影響部の靭性を改善できることを見出した。
【００１１】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、開先を設けた鋼材の溶接方法において、開先およびその周辺部に予め冷間で予歪みを付与した後に、溶接を行なう溶接方法である。
また本発明は、上記した溶接方法を用いて形成した溶接継手である。
さらに本発明は、上記した溶接継手を有する溶接構造物である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、鋼材を溶接するにあたって、靭性に優れた熱影響部を得ることができるので、産業上格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明を適用して、鋼板にＩ開先を設け、さらに予歪みを付与した例を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明を適用して、鋼板にＹ開先を設け、さらに予歪みを付与した例を模式的に示す断面図である。
【図３】図２に示す溶接継手からシャルピー衝撃試験片を採取する位置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、鋼材（たとえば鋼板、形鋼、鋼管等）に開先を設けて溶接を行なうにあたって、鋼材に切削加工を施して開先を設け、次いで、開先とその周辺部に冷間で予歪みを付与した後に、溶接を行なうものである。
あるいは、鋼材に予歪みを付与した後に、開先を設ける切削加工を施してもよい。ただし、開先の切削加工によって摩擦熱が発生し、予歪みを付与して微細化させたγ結晶粒が再び粗粒に変化する惧れがある。したがって、開先を設けた後に予歪みを付与する手順を採用することが好ましい。あるいは、開先自体を冷間加工によって形成してもよい。
【００１５】
以下では、開先を設けた後に予歪みを付与する例について説明する。
開先とその周辺部に冷間で予歪みを付与することによって、当該部位の溶接の熱によって生成するγ結晶粒を微細化する。つまり、予歪みによって鋼材の初期組織を局所的（すなわち開先とその周辺部）に微細化できるので、後述する溶接における熱が熱影響部をγ相へ逆変態させる際の核生成サイトを増加させ、粗大なγ結晶粒の生成を抑制する。その結果、熱影響部の靭性を改善できる。
【００１６】
予歪みが小さすぎると、γ結晶粒が微細化せず、熱影響部の靭性改善に寄与しない。したがって、予歪みは５％以上が好ましい。一方で、予歪みが大きすぎると、加工硬化の作用で靭性の低下を招く。したがって、予歪みは20％以下が好ましい。ここで予歪みの好適範囲の下限値と上限値は、下記の(1)式で算出される相当塑性ひずみε（％）を意味する。
【００１７】
予歪みを付与する手段は、図１に示すように、鋼材の厚みを冷間で減厚する加工（たとえばプレス加工、パンチ加工等）とし、板厚方向に変形させることが好ましい。その理由は、簡便な手段で、所定の部位に予歪みを付与できるからである。無論、幅方向でも同等の効果が得られる。なお図１は、鋼材１にＩ開先を設け、次いで予歪みを付与した例を示す断面図である。
相当塑性ひずみε（％）＝1.15×ln（１−ｒ）      ・・・(1)
圧下率ｒ＝Δｈ／ｈ0      ・・・(2)
ｈ0：予歪みを付与する前の鋼材の厚み（mm）
Δｈ：予歪みを付与することによる減厚量（mm）
予歪みを付与するために減厚すると鋼材に窪みが生じるが、図１に示すように、鋼材１の片面に窪み２を形成するように減厚することが好ましい。その理由は、両面に窪みを形成するよりも、簡素な装置で予歪みを付与できるからである。ただし鋼材１の両面に窪みを形成しても、本発明の効果を損ねる惧れはない。その場合は、上記の(2)式中のΔｈは、両面の減厚量の合計とする。
【００１８】
窪み２の端部と開先４の突き合わせ面との距離Ｌ（mm）が小さすぎると、予歪みを付与する部位３（以下、予歪み領域という）が狭くなり、γ結晶粒が微細化されていない領域にも熱影響部が広がるので、熱影響部の靭性改善に寄与しない。一方で、距離Ｌが大きすぎると、予歪み領域３が広くなり、加工硬化の作用で靭性の低下を招く。したがって、窪み２の端部と開先４の突き合わせ面との距離Ｌは0.8ｈ0〜1.2ｈ0（mm）の範囲内が好ましい。
【００１９】
開先の形状は特に限定せず、種々の形状の開先（たとえばＩ開先、Ｙ開先、Ｖ開先等）に本発明を適用できる。
また、溶接法は特に限定せず、アーク溶接（たとえばサブマージアーク溶接、ガスシールドアーク溶接等）、エレクトロスラグ溶接、ガス溶接、高エネルギービーム溶接（たとえばレーザ溶接等）、抵抗溶接、圧接等の広く普及している溶接法に本発明を適用できる。つまり、溶接後に熱影響部が形成される一般的な溶接法に本発明を適用して、熱影響部の靭性を改善することが可能である。また、溶接止端部における圧縮残留応力の影響で、疲労強度の向上にも効果を奏する。
【００２０】
いずれの溶接法を採用しても、入熱が小さすぎると、十分な溶込みが得られず、溶接金属に種々の欠陥が生じ易くなる。一方で、入熱が大きすぎると、予歪み領域３の外側（すなわちγ結晶粒が微細化されていない領域）にも熱影響部広がるので、熱影響部の靭性改善に寄与しない。したがって、溶接による入熱は、1.5〜8.0kJ／mmの範囲内が好ましい。
鋼材の鋼種も特に限定せず、一般の炭素鋼から、低炭素鋼、ＴＭＣＰ鋼をはじめ、合金元素を添加した合金鋼（たとえば高張力鋼、耐摩耗鋼、建築用耐火鋼等）まで、種々の鋼材に本発明を適用できる。ただし、既に説明した通り、高強度鋼（たとえば引張強さ400MPa以上）に適用すれば、熱影響部の靭性改善について多大な効果が得られるので好ましい。
【００２１】
さらに、TiN等の介在物によるピンニング効果を利用して熱影響部の靭性を高めた鋼材に適用すれば、靭性向上の効果がより一層向上するので好ましい。Ti：0.005〜0.030質量％、N：0.002〜0.008質量％を含有する鋼材に本発明を適用すれば、ピンニング効果を発揮させることができる。
【実施例】
【００２２】
表１に示す成分を有する鋼板（厚みｈ0：15mm）の端部にＹ開先を設け、さらに上面側から押圧して予歪みを付与した後に、図２に示すように、互いに付き合わせて溶接を行なった。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
予歪みを付与するために窪み２を形成する部位は、図２に示すように、開先４の突き合わせ面から距離Ｌ（＝18mm）までの部位とし、減厚量Δｈを種々変化させた。そのΔｈとｈ0を用いて(1)式から算出した相当塑性ひずみεを表２、３に示す。図２中の５は溶接金属、８は熱影響部を示す。
【００２５】
【表２】
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【００２６】
【表３】
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【００２７】
溶接は、サブマージアーク溶接、ガスシールドアーク溶接、レーザ溶接の３種類で行なった。溶接条件は表２、３に示す通りである。
得られた溶接継手から、図３に示すように、シャルピー衝撃試験片６を採取し、ＪＩＳ規格Z3111に準拠してシャルピー衝撃試験（−10℃）を行なった。シャルピー衝撃試験片６のノッチ７はＶノッチとし、ノッチ７に占める溶接金属５と鋼材１との比率が１：１となるような位置に板厚貫通方向に設けた。その結果を表２、３に示す。
【００２８】
表２、３に示す発明例のうち、予歪みとして相当塑性歪み２％を付与して、サブマージアーク溶接を行なった例は、予歪みが小さいので、粗大なγ粒が残留した。その結果、吸収エネルギーVＥ-10の平均値が29Ｊであり、予歪みを付与しない比較例（VＥ-10の平均値：27Ｊ）に比べて、靭性が僅かに改善された。
その他の発明例は、いずれも予歪みとして相当塑性歪み５〜20％を付与したので、γ粒径が小さく、靭性が大幅に改善された。
【符号の説明】
【００２９】
１  鋼材
２  窪み
３  予歪み領域
４  開先
５  溶接金属
６  シャルピー衝撃試験片
７  ノッチ
８  熱影響部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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