(57)【要約】【課題】  降伏強度が４６０ＭＰａクラスで、板厚が５０ｍｍ超の船体用溶接用高強度鋼板を突合せ溶接して、破壊靭性値Ｋｃが十分に高い溶接継手を形成する。【解決手段】  板厚５０ｍｍ以下の高強度鋼板を突合せ溶接した構造体の突合せ溶接継手において、（ａ）溶接金属の硬さが母材の硬さの７０％以上１１０％以下であり、かつ、（ｂ）溶接金属の幅が母材板厚の７０％以下であり、必要に応じ、（ｃ）熱影響を受けていない母材部の硬さの９５％以下の硬さに軟化している溶接熱影響部領域の幅が５ｍｍ以上、及び／又は、（ｄ）溶接溶融線と接する溶接熱影響部の旧オーステナイト粒径が２００μｍ以下であることを特徴とする耐脆性破壊発生特性に優れた大入熱突合せ溶接継手。【選択図】      図１
2005125348.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板厚５０ｍｍ以下の高強度鋼板を突合せ溶接した構造体の溶接継手において、
（ａ）溶接金属の硬さが母材の硬さの７０％以上１１０％以下であり、かつ、
（ｂ）溶接金属の幅が母材板厚の７０％以下である
ことを特徴とする耐脆性破壊発生特性に優れた大入熱突合せ溶接継手。
【請求項２】
板厚５０ｍｍ以下の高強度鋼板を突合せ溶接した構造体の突合せ溶接継手において、
（ａ）溶接金属の硬さが母材の硬さの７０％以上１１０％以下であり、
（ｂ）溶接金属の幅が母材板厚の７０％以下であり、かつ、
（ｃ）熱影響を受けていない母材部の硬さの９５％以下の硬さに軟化している溶接熱影響部領域の幅が５ｍｍ以上である
ことを特徴とする耐脆性破壊発生特性に優れた大入熱突合せ溶接継手。
【請求項３】
板厚５０ｍｍ以下の高強度鋼板を突合せ溶接した構造体の突合せ溶接継手において、
（ａ）溶接金属の硬さが母材の硬さの７０％以上１１０％以下であり、
（ｃ）熱影響を受けていない母材部の硬さの９５％以下の硬さに軟化している溶接熱影響部領域の幅が５ｍｍ以上であり、かつ、
（ｄ）溶接溶融線と接する溶接熱影響部の旧オーステナイト粒径が２００μｍ以下である
ことを特徴とする耐脆性破壊発生特性に優れた大入熱突合せ溶接継手。
【請求項４】
板厚５０ｍｍ以下の高強度鋼板を突合せ溶接した構造体の突合せ溶接継手において、
（ａ）溶接金属の硬さが母材の硬さの７０％以上１１０％以下であり、
（ｂ）溶接金属の幅が母材板厚の７０％以下であり、
（ｃ）熱影響を受けていない母材部の硬さの９５％以下の硬さに軟化している溶接熱影響部領域の幅が５ｍｍ以上であり、かつ、
（ｄ）溶接溶融線と接する溶接熱影響部の旧オーステナイト粒径が２００μｍ以下である
ことを特徴とする耐脆性破壊発生特性に優れた大入熱突合せ溶接継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接構造体、特に、板厚５０ｍｍ以下の高強度鋼板を突合せ溶接して構成した構造体の耐脆性破壊発生特性に優れた大入熱突合せ溶接継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接構造体において、最も破壊発生の可能性の高い部位は、溶接継手部である。その理由としては、溶接時に溶接欠陥が生じ、この欠陥が、破壊の起点となる応力集中部となる可能性が高いこと、さらに、溶接熱の影響により鋼板組織が粗大化し、溶接継手部の脆性破壊に係る指標として用いられている破壊靭性値Ｋｃが低下すること等が挙げられる。
【０００３】
それ故、溶接継手部に変形や歪が集中するのを阻止するために、溶接金属の強度や硬さを母材よりも高くすることが、溶接継手を形成する上での基本であり、溶接金属を選定する際には、母材強度との比較でオーバーマッチングとなる継手設計がなされている。
【０００４】
溶接継手における破壊靭性値を評価する試験としては、幅４００ｍｍの試験片の中央部にて、溶接継手の最脆弱部と想定される位置に、長さ２４０ｍｍの切欠きを機械加工した試験片を用いるディープノッチ試験がある。
【０００５】
そして、これまで、この試験により、主として板厚５０ｍｍ以下の船体構造用鋼板の溶接継手における破壊靭性値を評価、その結果に基づいて、船体用鋼板に必要な性能・特性が論じられてきた。
【０００６】
その結果、溶接部の破壊靭性値を考慮した船体用鋼板として、脆性破壊特性と疲労特性に優れた鋼板（ＴＭＣＰ鋼板）が開発されている（例えば、特許文献１）。
【０００７】
これまで、大入熱溶接が適用される鋼構造物では、板厚５０ｍｍ程度のＴＭＣＰ鋼板等が使用されていたが、近年、構造物の大型化のニーズが高まり、その結果、高強度鋼でも大入熱溶接を適用しようとする傾向が高まってきた。
【０００８】
例えば、現在、実用化されている船体用構造鋼板の強度の上限は、降伏強さで３９０ＭＰａレベルであり、鋼構造物の大きさがさらに増大すると、必然的に、板厚の厚い鋼板を用いることとなるが、鋼板の板厚が増大し過ぎると、溶接施工上の工数が増えて建造コストが上がったり、コンテナー船そのものの重量が増える等、工業的な問題が生じる。
【０００９】
【特許文献１】特開平６−８８１６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
溶接構造物の大型化が進み、使用する鋼板の板厚が増大するに伴い、設計応力が高い高張力厚鋼板を用いることが要望されている。
【００１１】
そこで、本発明者は、溶接継手部が最も破壊発生の可能性の高い部位になり得ることから、板厚５０ｍｍ以下の高強度鋼板を突合せ溶接した大入熱溶接継手の性能について調査した。
【００１２】
その結果、板厚５０ｍｍ以下の高強度鋼板を突合せ溶接した大入熱溶接継手は、小型試験であるＶノッチシャルピー衝撃試験で良好な結果を示しても、大型破壊試験であるディープノッチ試験では、必ずしも良好な破壊靭性値Ｋｃを示さないことを知見した。
【００１３】
そこで、本発明は、上記知見を踏まえ、降伏強度が４００ＭＰａクラスで、板厚５０ｍｍ以下の高強度鋼板に、大入熱突合せ溶接を適用する場合において、破壊靭性値Ｋｃが十分に高い溶接継手を形成することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者は、上記課題を解決するため、母材と溶接継手の機械的性質について調査した。その結果、本発明者は、溶接継手部に変形や歪が集中するのを阻止するために、溶接金属の強度や硬さを、母材の強度や硬さよりも高くすることを溶接継手形成上の基本とし、溶接金属を選定する際には、母材強度との比較でオーバーマッチングとなる従来の継手設計にとらわれない、新規な継手設計技術を見出した。
【００１５】
即ち、大入熱突合せ溶接継手の継手設計において、溶接金属の硬さを母材の硬さの７０％以上１１０％以下となるように制御し（アンダーマッチングとなる継手設計）、溶接金属の幅を、母材板厚の７０％以下とすることにより、アンダーマッチングによる継手強度の低下を防止できることを見出した。
【００１６】
そして、上記知見に基づいて、降伏強度が４００ＭＰａクラスで、板厚５０ｍｍ以下の高強度鋼板の大入熱突合せ溶接において、破壊靭性値Ｋｃの高い溶接継手を具現化する技術として本発明を完成した。
【００１７】
本発明の要旨は、以下のとおりである。
【００１８】
（１）  板厚５０ｍｍ以下の高強度鋼板を突合せ溶接した構造体の突合せ溶接継手において、
（ａ）溶接金属の硬さが母材の硬さの７０％以上１１０％以下であり、かつ、
（ｂ）溶接金属の幅が母材板厚の７０％以下である
ことを特徴とする耐脆性破壊発生特性に優れた大入熱突合せ溶接継手。
【００１９】
（２）  板厚５０ｍｍ以下の高強度鋼板を突合せ溶接した構造体の突合せ溶接継手において、
（ａ）溶接金属の硬さが母材の硬さの７０％以上１１０％以下であり、
（ｂ）溶接金属の幅が母材板厚の７０％以下であり、かつ、
（ｃ）熱影響を受けていない母材部の硬さの９５％以下の硬さに軟化している溶接熱影響部領域の幅が５ｍｍ以上である
ことを特徴とする耐脆性破壊発生特性に優れた大入熱突合せ溶接継手。
【００２０】
（３）  板厚５０ｍｍ以下の高強度鋼板を突合せ溶接した構造体の突合せ溶接継手において、
（ａ）溶接金属の硬さが母材の硬さの７０％以上１１０％以下であり、
（ｃ）熱影響を受けていない母材部の硬さの９５％以下の硬さに軟化している溶接熱影響部領域の幅が５ｍｍ以上であり、かつ、
（ｄ）溶接溶融線と接する溶接熱影響部の旧オーステナイト粒径が２００μｍ以下である
ことを特徴とする耐脆性破壊発生特性に優れた大入熱突合せ溶接継手。
【００２１】
（４）  板厚５０ｍｍ以下の高強度鋼板を突合せ溶接した構造体の突合せ溶接継手において、
（ａ）溶接金属の硬さが母材の硬さの７０％以上１１０％以下であり、
（ｂ）溶接金属の幅が母材板厚の７０％以下であり、
（ｃ）熱影響を受けていない母材部の硬さの９５％以下の硬さに軟化している溶接熱影響部領域の幅が５ｍｍ以上であり、かつ、
（ｄ）溶接溶融線と接する溶接熱影響部の旧オーステナイト粒径が２００μｍ以下である
ことを特徴とする耐脆性破壊発生特性に優れた大入熱突合せ溶接継手。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、降伏強度が４００ＭＰａクラスで、板厚５０ｍｍ以下の高強度鋼板を突合せ溶接する時、破壊靭性値Ｋｃが十分に高い溶接継手を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
これまで、溶接継手の設計は、溶接継手部に変形や歪が集中することを阻止するために、溶接金属の強度や硬さを、母材よりも高くすることが基本であり、溶接材料は、その強度が母材強度と比較してオーバーマッチングとなるよう選定されていた。
【００２４】
そこで、本発明者は、降伏強さで４００ＭＰａクラスの鋼板を試作し、溶接金属がオーバーマッチングとなるように選定した溶接材料で、溶接継手を製作し、ディープノッチ試験でその機械的性質を評価した。
【００２５】
その結果、上記溶接継手は、溶接継手部のＶノッチシャルピー試験では、−２０℃の試験温度で９０Ｊ以上の十分な値を示し、かつ、破面遷移温度も−２０℃と極めて良好な値を示したにもかかわらず、ディープノッチ試験では、破壊靭性値Ｋｃが２０００Ｎ／ｍｍ1.5以下と極めて低い値を示し、結局、これらの試験結果は、従来から用いている「Ｖノッチシャルピー試験結果とディープノッチ試験結果との相関関係」から大きく逸脱することが判明した。
【００２６】
そこで、ディープノッチ試験での破壊発生点を詳細に調査した結果、
（ｉ）破壊の発生位置は、溶接金属とＨＡＺ（溶接熱影響部）の境界であること、及び、
（ii）破壊の発生した部分の微視組織は、シャルピー試験片で観察された破壊発生部の微視組織と同一であること、
を突き止め、
（iii）ディープノッチ試験とシャルピー試験においては、破壊のドライビングフォースとなる局所応力の分布形態が著しく異なること、
を予見した。
【００２７】
そして、両者における上記局所応力分布を３次元有限要素法で解析した結果、降伏強度が４００ＭＰａ以上の高強度鋼になると、板厚方向での拘束度（力）が著しく増大し、破壊靭性値は、溶接部で最も降伏強度の高い領域で発生する局所応力に支配されて、溶接金属の強度が母材やＨＡＺ（溶接熱影響部）の強度よりも高いと、局所応力が溶接金属とＨＡＺとの境界で著しく増大すること、即ち、局所応力の上記境界での著しい増大を抑制するには、溶接金属の強度をできるだけ低くすることが必要であることを見出した。
【００２８】
ここで、上記解析結果をもとに、溶接金属の硬さ（Ｈｖ（ＷＭ））を種々変化させて、破壊靭性値Ｋｃを測定し、Ｋｃ測定値を“溶接金属の硬さ［Ｈｖ（ＷＭ）］／母材の硬さ［Ｈｖ（ＢＭ）］”に対してプロットした結果、図１中「●」に示すように、溶接金属の硬さを母材の硬さの１１０％以下に抑制すれば、局所的な応力の増大による破壊靭性値の低下を防止できることを知見した。
【００２９】
このように、溶接金属の硬さを、母材の硬さより低くすることが、溶接継手の破壊靭性値を向上させるために必要であることを知見したが、溶接金属の硬さを低下させると、一方で、溶接継手の強度（引張強さ）を確保できず、構造物や構造体として致命的な問題を引き起こすことにもなる。
【００３０】
そこで、溶接継手においても母材の強度と同程度の強度を確保するために必要な溶接金属の強度の下限を実験的に検討した。その結果、図２に示すように、溶接金属の幅（ビード幅）の影響が顕著であるところ、該幅を板厚の７０％以下に限定すれば、溶接金属の硬さを母材の硬さの７０％まで低減しても、溶接継手の強度（引張強さ）を確保できることを見出した。
【００３１】
溶接継手において所定の破壊靭性値Ｋｃを確保するためには、溶接継手の最脆弱部である溶接溶融線（ＦＬ）において局所応力が増大しないようにすることが肝要であることは前述したが、同時に、ＦＬ近傍での微視的な耐脆性破壊発生特性を向上させることが重要である。
【００３２】
ＦＬ近傍で脆性破壊が発生するメカニズムを調査、検討した結果、旧オーステナイト周辺に生成する初析フェライトや、旧オーステナイト内部にラス状に生成する上部ベーナイトやフェライトサイドプレート等が破壊の起点となることを突き止め、旧オーステナイト粒径を小さく抑制することにより、耐脆性破壊発生特性を改善することができることを知見した。
【００３３】
本発明者の実験結果によれば、溶接溶融線（ＦＬ）と接する溶接熱影響部（ＨＡＺ）の旧オーステナイト粒径を２００μｍ以下に抑制することが好ましい。
【００３４】
また、本発明者は、溶接金属に接する溶接溶融線（ＦＬ）における局所応力の発生ないし分布は、溶接金属の硬さに支配されるが、ＦＬに接しているＨＡＺ領域において“軟化している領域”が大きい場合には、ＦＬの局所応力が緩和される傾向にあることを見出した。
【００３５】
本発明者の実験結果によれば、ＨＡＺ軟化幅が５ｍｍ以上存在した場合に、上記緩和現象が認められたので、ＨＡＺ軟化幅は５ｍｍ以上とすることが好ましい。ＨＡＺの硬さが母材の硬さより低ければ、原理的に局所応力は低減するが、本発明者の実験結果によれば、局所応力低減効果が明確に認められるのは、ＨＡＺの硬さが、母材の硬さよりも５％以上低くなっている場合であった。
【００３６】
それ故、本発明においては、熱影響を受けていない母材部の硬さの９５％以下の硬さに軟化している溶接熱影響部（ＨＡＺ）領域の幅を５ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００３７】
本発明で用いる溶接構造体用の高強度鋼板は、公知の成分組成の溶接用構造用鋼から製造したものでよい。例えば、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．２０％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ａｌ：０．００１〜０．２０％、Ｎ：０．０２％以下、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．０１％以下を基本成分とし、母材強度や継手靭性の向上等、要求される性質に応じて、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｗ、Ｃｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、ＲＥＭ、Ｙ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｂの内の１種又は２種以上を含有した鋼が好ましい。
【００３８】
また、溶接材料も本発明で規定する溶接金属の硬さが得られる限り、特にその成分組成を限定するものではないが、本発明では、例えば、溶接材料の化学成分として、Ｃ：０．０１〜０．０６％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ｎｉ≦４．０％、Ｍｏ≦０．３０％、Ａｌ≦０．３％、Ｍｇ≦０．３０％、Ｔｉ：０．０２〜０．２５％、Ｂ≦０．０５０％を含有し、さらに、使用する鋼材の化学成分を考慮して、溶接材料を適宜選択して用いることが望ましい。
【００３９】
また、溶接方法も、本発明で規定する溶接ビード（溶接金属）幅が得られる限り、特に限定するものではなく、通常のエレクトロガス溶接（ＥＧ）、２電極揺動エレクトロガス溶接（ＶＥＧＡ−II）、ＣＯ2溶接などのアーク溶接などが用いられる。レーザー溶接や電子ビーム溶接は、溶接ビードの幅の制御が容易であり、溶接材料を用いて溶接金属の硬さを制御することにより本発明で適用できる。
【００４０】
ただし、溶接材料を用いずにレーザー溶接や電子ビーム溶接する場合は、母材の溶融、凝固のみで溶接金属となるため、溶接金属の硬さが母材部よりも高くなりやすいので溶接金属の硬さ制御の点から好ましくない。
【実施例】
【００４１】
以下、本発明を、実施例に基いて説明するが、実施例における条件は、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、該一条件例に限定されるものではない。
【００４２】
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、種々の条件ないし条件の組合せを採用し得るものである。
【００４３】
（実施例１）
板厚２５ｍｍ〜５０ｍｍの厚鋼板を準備し、溶接継手の特徴及び性能を試験、調査した。その結果を表１に示す。
【００４４】
溶接方法について、ＶＥＧＡ-IIは、２電極揺動エレクトロガス溶接である。ＥＧは、通常のエレクトロガス溶接である。ＳＡＷは、潜弧溶接である。ＣＯ2は炭酸ガス溶接である。それぞれの溶接条件は、表２に示した。
【００４５】
なお、鋼材の開先形状は、ＶＥＧＡ−II、ＥＧ溶接の場合は、開先角度２０°のＶ字開先とし、ルートギャップは８ｍｍとし、ＳＡＷ溶接の場合は、開先角度４０°のＹ字開先とし、ルートギャップは２ｍｍとした。
【００４６】
Ｈｖ（ＢＭ）は、１０ｋｇの圧痕により測定した母材の板厚方向における硬さの平均値である。Ｈｖ（ＷＭ）は、溶接金属の板厚中央部において、１０ｋｇの圧痕により測定した硬さの値である。
【００４７】
ビード幅は、溶接金属の表面、裏面、及び、板厚中心の３点で測定した平均値である。
【００４８】
ＨＡＺ軟化幅は、母材の硬さより５％軟化したＨＡＺ領域を、溶接溶融線から母材方向へ測定した時の領域の幅である。
【００４９】
ＨＡＺの旧γ粒径は、溶接溶融線に接するＨＡＺでの旧オーステナイト粒を円相当径で表記したものである。
【００５０】
溶接継手の性能に関し、破面遷移温度ｖＴrs（℃）は、溶接継手の最脆弱部である溶接溶融線（ＦＬ）が試験片の板厚中央となるように採取した試験片を用い、試験温度を変化させて求めた結果である。
【００５１】
破壊靭性値Ｋｃ（Ｎ／ｍｍ1.5）は、前述のディープノッチ試験において、−２０℃の試験温度で求めた値であり、「＞」印を付記した値は、試験片の切欠き部で十分変形して、延性き裂の痕跡が確認されたものであり、試験片幅が４００ｍｍであるため、それ以上のＫｃ値を計測できなかったものである。
【００５２】
継手引張強度（ＭＰａ）は、ＮＫＵ１号試験片を作製して、継手引張試験を行った結果であり、破断した強度を示すものである。
【００５３】
表１に示すように、本発明例のＮｏ．１〜１４は、各種条件が本発明で規定する範囲内にあるものであり、Ｋｃ値及び継手引張強度ともに十分な値を示している。
【００５４】
これに対して、比較例Ｎｏ．１５〜１７は、Ｈｖ(ＷＭ)/Ｈｖ(ＢＭ)が、本発明で規定する所定値を超えているため、シャルピー試験によるｖＴrsが、本発明例のＮｏ．１〜１４と同程度のレベルにあるにもかかわらず、Ｋｃ値が低いものである。
【００５５】
比較例Ｎｏ．１８は、Ｈｖ(ＷＭ)/Ｈｖ(ＢＭ)が、本発明で規定する所定値より小さいため、シャルピー試験によるｖＴrsが、本発明例のＮｏ．１〜１４と同程度のレベルであることに対応し、Ｋｃ値が十分な値であるが、継手引張強度が低いものである。
【００５６】
比較例Ｎｏ．１９及び２０は、ビード幅が、本発明で規定する所定値を超えているため、継手引張強度が低いものである。
【００５７】
【表１】
2005125348.tif 000003
【００５８】
【表２】
2005125348.tif 000004
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明によれば、板厚５０ｍｍ以下の高強度鋼板の大入熱溶接して形成した溶接継手において、万一、溶接欠陥が存在したり、又は、疲労亀裂が発生、成長しても、脆性破壊が発生し難いので、溶接構造体が破壊するような致命的な損傷、損壊を防止することができる。
【００６０】
よって、本発明は、溶接構造体の安全性を顕著に高めるという顕著な効果を奏し、産業上の利用価値の高い発明である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】Ｋｃ値に及ぼす溶接金属と母材の硬さの影響を示す図である。
【図２】継手強度に及ぼす溶接金属と母材の硬さ比、及び、ビード幅との関係を説明する図である。
【図１】
2005125348.tif 000005
【図２】
2005125348.tif 000006