(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
開先を設けた鋼板の端部を、他方の鋼板の板面に溶接した継ぎ手であって、少なくとも他方の鋼板が、板厚方向の疲労き裂伝播特性がΔＫ＝２０ＭＰａ√ｍにて１０−８ｍ／cycle以下の高疲労強度鋼からなり、他方の鋼板の板厚ｔ２と開先を設けた鋼板の板厚ｔ１との比ｔ２／ｔ１が、
ｔ２／ｔ１≦０．９５
を満たすことを特徴とする疲労特性に優れた溶接継ぎ手。
【請求項２】
継ぎ手形状がかど継ぎ手であることを特徴とする請求項１に記載の疲労特性に優れた溶接継ぎ手。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接構造物の疲労強度を向上させるために、溶接部から発生した疲労き裂の伝播方向を制御して、高疲労強度鋼の母材部で疲労き裂を伝播させることにより、優れた疲労特性を付与した溶接継ぎ手に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
構造物の軽量化、大容量化の要求に応え、構造用鋼板の高強度化が急速に進んでいる。しかしながら、繰り返し荷重を受ける構造物では、降伏強度のみならず疲労強度を考慮しなければならず、高強度化のニーズに応えることが出来ない場合があり、疲労強度の向上が切望されている。特に、溶接構造物では溶接止端部から疲労き裂の発生する場合が多く、鋼材の強度を向上させても疲労強度は殆ど向上しない。
【０００３】
溶接構造物の疲労強度は、主として溶接部の止端部形状によって支配されることが知られており、溶接部の止端部処理等の疲労強度向上策が適用されることがある。しかし、止端部処理は、構造物の建造工数を増大させるばかりでなく、溶接部位によっては止端部処理が実施できない場合も多く、鋼材面からの疲労強度向上策が切望されている。
【０００４】
溶接継手部の疲労破壊は一般に応力集中の大きな溶接止端部から発生するため、発生特性は溶接止端部形状に大きく影響され、鋼材組成、組織には殆ど影響しないことが知られている。そこで、鋼材組織を制御して疲労特性を向上させるためには止端部で発生した板厚方向への疲労き裂の伝播を遅延させることが有効であり、板厚方向へのき裂伝播速度が小さい高疲労強度鋼板として、特開平６−２７１９８５号公報、特開平７−９０４７８号公報、特開平７−２４２９９２号公報等が開示されている。
【０００５】
しかしながら、疲労き裂は溶接部の止端部やルート部から発生するため、箱形の溶接構造物等に適用される角溶接部等においては、発生した疲労き裂が、母材部を伝播せずに、溶接熱影響部を伝播して破断に至る場合が多く、き裂伝播速度を小さくした高疲労強度鋼の効果が発揮できていないため、高疲労強度鋼を適用した場合の溶接継ぎ手部の設計方法が望まれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した点に鑑みてなされたもので、板厚方向の疲労き裂伝播速度特性が優れた鋼板の特徴を十分に生かした設計により、疲労特性に優れた溶接継ぎ手を提供することを課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討の結果、疲労き裂伝播速度特性が優れた板厚方向に疲労き裂伝播するような溶接部の鋼板に対する配置を見出した。本発明はかかる知見に基づいて完成されたものであって、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）開先を設けた鋼板の端部を、他方の鋼板の板面に溶接した継ぎ手であって、少なくとも他方の鋼板が、板厚方向の疲労き裂伝播特性がΔＫ＝２０ＭＰａ√ｍにて１０−８ｍ／cycle以下の高疲労強度鋼からなり、他方の鋼板の板厚ｔ２と開先を設けた鋼板の板厚ｔ１との比ｔ２／ｔ１が、ｔ２／ｔ１≦０．９５を満たすことを特徴とする疲労特性に優れた溶接継ぎ手。
（２）継ぎ手形状がかど継ぎ手であることを特徴とする前記（１）に記載の疲労特性に優れた溶接継ぎ手。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明において、対象とする高疲労強度鋼は、例えば前記した特開平６−２７１９８５号公報、特開平７−９０４７８号公報あるいは特開平７−２４２９９２号公報等に記載され、次記するように、板厚方向の疲労き裂伝播速度が、ΔＫ＝２０ＭＰａ√ｍにて１０−８ｍ／cycle以下の特性を有する鋼板である。板厚方向の疲労き裂伝播速度が、ΔＫ＝２０ＭＰａ√ｍにて１０−８ｍ／cycle以下の特性を有する鋼板であれば、適用分野の環境や強度レベルに応じて、通常の溶接構造用鋼としての所要の材質を得るために、従来から当業分野での活用で確認されている作用・効果の関係を基に定めている添加元素の種類と量を同様に使用して同等の作用と効果が得られるので、これ等を含む鋼を本発明は対象鋼とするものである。
【０００９】
図面を参照し、本発明を詳細に説明する。本発明の一実施の形態に係る疲労特性に優れた溶接継ぎ手を設計するために、以下に示すような種々の試験を行った。図１は、箱形断面の溶接継ぎ手部における構成鋼板の板厚の比と、疲労き裂伝播経路の関係を調査した結果である。箱形断面を作成するために図中、斜線部分の位置に箱の外側から炭酸ガス溶接を施工した。この箱形断面の溶接継ぎ手に繰り返し応力が負荷されると、疲労き裂が発生、伝播して破断に至る。この箱形断面の溶接継ぎ手において、天板、底板の板厚をｔ１，側板の板厚をｔ２とし、このｔ２／ｔ１の比を変化させることにより、疲労き裂の発生箇所、および、その後の疲労き裂の伝播経路について調査した。
【００１０】
このような溶接継ぎ手では、箱型の内面に溶接の未溶着部（ルート部）が残存し、そこから疲労き裂の発生が生じた場合が多かった。ここで疲労き裂が発生した場合、図中（２）、あるいは（３）の２通りの疲労き裂伝播経路をとった。また、溶接部の表面部は溶接金属の余盛りがあり、その余盛りの溶接止端部が疲労き裂発生点となる場合もあった。また、余盛りを削除して箱形の外面を平滑に仕上げれば、図中（４）、（５）からの疲労き裂の発生は防止でき、図中（２）、（３）の疲労き裂伝播経路を考慮すれば良いことがわかった。板厚比を変化させた場合の疲労き裂伝播経路について図１（ａ）に示す。板厚比（ｔ２／ｔ１）が０．９５以下であれば、余盛りの研削の有無に関わらず、き裂伝播経路は（２）となった。板厚比が１以上の場合には余盛り研削していない場合には（４）、（５）の伝播経路をとる場合が多く、余盛り研削した場合には、（３）の伝播経路をとった。
【００１１】
以上の結果より、図１（ｂ）に示す如く、板厚比を０．９５以下にすることにより、疲労き裂の伝播経路を（２）に限定させることができ、板厚方向の疲労き裂伝播速度の抑制された高疲労強度鋼の性能を発揮させた溶接継ぎ手を具現化することができる。板厚方向の疲労き裂伝播速度は、鋼板の組織制御により通常鋼板の１／２〜１／１０程度まで低減させることができるので、当該溶接継ぎ手の疲労寿命も大幅に向上させることができることを確認した。
【００１２】
図２は、図１と同様の試験であるが、箱形断面の溶接継ぎ手部における構成鋼板の板厚の比に代えて、当該板厚比が異なることに伴い測定される外表面に作用する溶接線に垂直な方向の繰り返し応力範囲の比と、疲労き裂伝播経路の関係を調査した結果であり、本発明の効果を間接的に確認するための参考例である。箱形断面を作製するために、図中、斜線部分の位置に箱の外側から炭酸ガス溶接を施工した。この箱形断面の溶接継ぎ手に、負荷する支点の位置を変化させて、構成鋼板１、２の繰り返し応力範囲の値に差異をあたえるような負荷方法をとり、疲労試験を実施した。その結果、図２（ｂ）に示す如く、ゲージ長５ｍｍの歪みゲージから測定された溶接線に垂直な方向の繰り返し応力範囲Δσ１とΔσ２の比、Δσ２／Δσ１の参考値が１．０５以上であれば、疲労き裂伝播経路は（２）をとり、鋼板２に板厚方向の疲労き裂伝播速度の抑制された高疲労強度鋼を適用することにより、溶接継ぎ手の疲労寿命を大幅に向上できることを確認した。
【００１３】
上記２例は、箱形断面の溶接継ぎ手により説明したが、板厚の差異、あるいは板厚差に伴う作用応力の差異を意図的に発現させ、疲労き裂の伝播経路を、鋼材母材部の板厚方向へと制御させることにより、溶接継ぎ手の疲労寿命を向上する本発明の設計思想は、様々な継ぎ手形状に適用できる。例えば、図３はλ型溶接継ぎ手について本発明を適用した場合である。この例の場合、板厚比として整理していないが、図３（ｂ）に示す如く、前記のΔσ２／Δσ１の参考値が１．０５以上であれば、疲労き裂伝播経路は（１）、（２）をとり、鋼板２に板厚方向の疲労き裂伝播速度の抑制された高疲労強度鋼を適用することにより、溶接継ぎ手の疲労寿命を大幅に向上できることを確認した。
【００１４】
次に、高疲労強度鋼板として、板厚方向の疲労き裂伝播特性がΔＫ＝２０ＭＰａ√ｍにて１０−８ｍ／cycle以下に限定した理由について述べる。疲労き裂伝播特性は、一般にステージ２と称されているストライエーション形成によりき裂が進展する領域では鋼種や鋼材の組織に依存せず、ΔＫに応じて、疲労き裂伝播速度が決まり、ΔＫ＝２０ＭＰａ√ｍにて２×１０−８ｍ／cycle以上の値となることが知られている。一方、前述した高疲労強度鋼の発明では、鋼材の組織を制御することにより、疲労き裂の伝播速度を抑制させた鋼板が提供されているが、通常の鋼板より少なくとも伝播速度を１／２以下に制御した鋼板でなければ、溶接部の疲労寿命を工業的に効果の認められる２倍以上の寿命を発現できないので、通常鋼板の伝播速度の１／２以下であるΔＫ＝２０ＭＰａ√ｍにて１０−８ｍ／cycleの速度を有する鋼板に限定した。
【００１５】
【実施例】
図１、２、３に示す箱形断面溶接継ぎ手、およびλ型溶接継ぎ手を用いて、鋼板１および鋼板２の組み合わせにより継ぎ手疲労寿命の変化を表１，２に示す。箱形断面の溶接継ぎ手においては、箱形の外面の溶接余盛り部を研削する場合と、研削しない場合の２通りについて検討した。λ型溶接継ぎ手の場合には、溶接止端部や余盛り部の研削は実施しなかった。溶接は、手溶接、炭酸ガス溶接、レーザー溶接等、いかなる溶接でもよいが、本実施例では、炭酸ガス溶接を適用した。溶接欠陥として、未溶着部を意図的に残した。
【００１６】
鋼板１，鋼板２のΔＫ＝２０ＭＰａ√ｍでのｄａ／ｄＮの値は、板厚方向に疲労き裂を伝播させて測定したΔＫとｄａ／ｄＮの関係を求めた線図においてΔＫ＝２０ＭＰａ√ｍに対応するｄａ／ｄＮの値を表記した。疲労き裂伝播経路は、箱形断面溶接部の場合には図１に示す（２）〜（５）の伝播経路であり、λ型溶接継ぎ手の場合には、図３に示す（１）〜（４）の伝播経路を示したものである。（１）、（２）は、いずれも鋼板２の板厚方向への伝播形態をとるため、鋼板２に高疲労強度鋼を適用すると、その板厚方向への疲労き裂伝播の抑制効果が発揮されることにより、破断寿命が長寿命化していることがわかる。尚、破断寿命比とは、次のように求めた。
【００１７】
鋼板１、鋼板２共に同一の板厚の通常鋼板（ΔＫ＝２０ＭＰａ√ｍでのｄａ／ｄＮの値が２×１０−８ｍ／cycleの鋼板）を用いて疲労試験を実施し、鋼板１に貼り付けた歪みゲージから求めた繰り返し応力範囲と、破断寿命Ｎｆの関係をもとめ、評価の基準となる関係を求めた。次に、本発明例、およびその比較例の評価として、鋼板１に貼り付けた歪みゲージから求めた繰り返し応力範囲を測定しつつ疲労試験を実施し、前述した基準となる関係において、この繰り返し応力範囲に対応する寿命に対して実際の疲労試験での寿命が何倍になったかを表１，２における破断寿命比として表記した。すなわち、破断寿命が１以上の値のものは、破断寿命が向上したことを表しており、本発明例では２倍以上の向上効果が得られている。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
【表２】
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【００２０】
【発明の効果】
本発明により、溶接部で発生する疲労き裂を板厚方向に疲労き裂伝播特性の小さい鋼板の母材部に進展させ、高疲労強度鋼の特性を十分活かすことで、溶接継ぎ手の疲労破断寿命を向上できる。したがって、本発明は、特に溶接構造物に関わる分野における産業上の価値の極めて高い発明であるといえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  箱形断面の溶接部における板厚比と、疲労き裂伝播経路との関係を示した模式図である。
【図２】  箱形断面の溶接部における繰り返し応力範囲と、疲労き裂伝播経路との関係を示した模式図である。
【図３】  λ型溶接部における繰り返し応力範囲と、疲労き裂伝播経路との関係を示した模式図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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