(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材の多層溶接継手の最終パスにより形成された熱影響部の表面に、超音波振動端子による打撃処理を行うことにより、前記最終パスによって形成された熱影響部における溶接金属と母材とのフュージョンライン（ＦＬ）に隣接する、前記鋼材表面から２ｍｍ以上の深さまでの各結晶粒径の平均を、該鋼材表面から板厚ｔの１／４の深さにおける溶接前の母材の結晶粒径の１２０％以下とすることを特徴とする鋼材の溶接継手における熱影響部の靭性向上方法。
【請求項２】
鋼材の隅肉溶接継手の止端部に、超音波振動端子による打撃処理を行うことにより、前記止端部の近傍の熱影響部における溶接金属と母材とのフュージョンライン（ＦＬ）に隣接する、前記鋼材表面から２ｍｍ以上の深さまでの各結晶粒径の平均を、該鋼材表面から板厚ｔの１／４の深さにおける溶接前の母材の結晶粒径の１２０％以下とすることを特徴とする鋼材の溶接継手における熱影響部の靭性向上方法。
【請求項３】
前記鋼材表面から２ｍｍ以上の深さまでの各結晶粒径の平均が３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の鋼材の溶接継手における熱影響部の靭性向上方法。
【請求項４】
前記超音波振動端子による打撃処理の処理前または処理中に、前記鋼材を補助加熱することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の鋼材の溶接継手における熱影響部の靭性向上方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、建築、造船、橋梁、建設機械、海洋構造物などの溶接構造物に用いられる鋼材の溶接継手における熱影響部の靭性向上方法に関する。
具体的には、多層溶接継手、隅肉溶接継手における熱影響部の靭性向上方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、建築、造船、橋梁、建設機械、海洋構造物などの溶接構造物に用いられる溶接継手として、多数のパスにより溶接を行う多層溶接継手、鋼材同士を垂直に組み合わせたコーナー部を溶接する隅肉溶接継手、大入熱の溶接による１パスまたは数パスの溶接継手がある。
以下、それぞれの溶接継手の熱影響部の靭性に関する従来の問題点について詳述する。
【０００３】
＜多層溶接継手＞
多層溶接継手では、溶接による入熱によって鋼材の金属組織が粗大化するが、後続の溶接パスによって、結晶粒が粗大化した領域が再度加熱されるため細粒化されるので、熱影響部（ＨＡＺ部、以下同じ）においても高い靭性が確保されている。
しかし、鋼材表面に近い最終パスによって形成されたＨＡＺ部は、後続の溶接パスがないので、再加熱による細粒化がなされず、結晶粒は粗大になったままとなり、破壊靭性が大きく劣化する。
例えば、金属便覧、日本金属学会編（改訂５版）、丸善株式会社、Ｐ１０７２、図１６−５０に、溶接熱影響部の金属組織について、金属組織は加熱によって一度完全にオーステナイトとなり、それが極めて粗粒化し、硬化しやすく、割れが生じやすいことが開示されている。
【０００４】
これを解決するために、従来は、所定の溶接が終了した後も、引き続いて溶接を行い、当該部を盛り上げた状態まで溶接して金属組織を細粒化させた後に、不要な余盛りの部分をグラインダー等で研削することにより、再熱を受けて細粒化したＨＡＺしか存在させないようにする対策がとられることがあった。
しかし、このような対策では、余分な溶接作業が必要となるうえ、グラインダー等による研削作業がさらに必要なため、施工コスト、工程負荷が大きいという問題点があり、現実的ではなかった。
＜隅肉溶接継手＞
鋼材同士を垂直に組み合わせたコーナー部を溶接する隅肉溶接継手においても、止端部の近傍のＨＡＺ部は結晶粒が粗大化しており、前述の多層溶接継手と同様の問題点があった。
【０００５】
また、溶接部に超音波振動を与える方法に関する従来技術としては、例えば、米国特許第６，１７１，４１５号明細書に、アーク溶接直後に溶接アークによって熱せられた溶接シーム部に沿って超音波振動を付与する方法が開示されている。
しかし、この従来技術は、超音波振動子で打撃することにより疲労強度を向上させる方法であって、本発明が目的とするＨＡＺ部の金属組織の細粒化や融合不良部の圧着による靭性向上については全く開示されていない。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第６，１７１，４１５号明細書
【非特許文献１】
金属便覧、日本金属学会編（改訂５版）、丸善株式会社、Ｐ１０７２、図１６−５０
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、鋼材の多層溶接継手、隅肉溶接継手における熱影響部の靭性向上方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を解決するために鋭意検討の結果なされたものであり、鋼材の溶接継手の止端部の近傍に、超音波振動端子による打撃処理を行うことにより、鋼材の多層溶接継手、隅肉溶接継手における熱影響部の靭性向上方法を提供するものであり、その要旨とするところは特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
【０００９】
（１）鋼材の多層溶接継手の最終パスにより形成された熱影響部の表面に、超音波振動端子による打撃処理を行うことにより、前記最終パスによって形成された熱影響部における溶接金属と母材とのフュージョンライン（ＦＬ、融合線）に隣接する、前記鋼材表面から２ｍｍ以上の深さまでの各結晶粒径の平均を、該鋼材表面から板厚ｔの１／４の深さにおける溶接前の母材の結晶粒径の１２０％以下とすることを特徴とする鋼材の溶接継手における熱影響部の靭性向上方法。
（２）鋼材の隅肉溶接継手の止端部の近傍に、超音波振動端子による打撃処理を行うことにより、前記止端部の近傍の熱影響部における溶接金属と母材とのフュージョンライン（ＦＬ）に隣接する、前記鋼材表面から２ｍｍ以上の深さまでの各結晶粒径の平均を、該鋼材表面から板厚ｔの１／４の深さにおける溶接前の母材の結晶粒径の１２０％以下とすることを特徴とする鋼材の溶接継手における熱影響部の靭性向上方法。
【００１０】
（３）前記鋼材表面から２ｍｍ以上の深さまでの各結晶粒径の平均が３０μｍ以下であることを特徴とする（１）または（２）に記載の鋼材の溶接継手における熱影響部の靭性向上方法。
（４）前記超音波振動端子による打撃処理の処理前または処理中に、前記鋼材を補助加熱することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の鋼材の溶接継手における熱影響部の靭性向上方法。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図１乃至図３を用いて詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の鋼材の多層溶接継手における熱影響部の靭性向上方法である第１の実施形態を示す図である。
図１において、鋼材１と鋼材２とが多層溶接継手によって接合されており、３は溶接金属、４は最終の溶接パス、５は最終の溶接パスにより形成された熱影響部（ＨＡＺ部）、６は超音波振動端子、７は母材と溶接金属とのフュージョンライン（ＦＬ）、ｔは母材の板厚を示す。
多層溶接継手においては、溶接の入熱によってＨＡＺ部の金属組織が粗大化しても、後続のパスによって再度加熱されるので、熱サイクルによって結晶が細粒化し高い靭性が維持される。
しかし、図１の最終の溶接パス４によって加熱されたＨＡＺ部５は、後続のパスがないので、結晶粒は粗大化したままの状態となっている。
【００１２】
そこで、超音波振動端子（ハンマー）６によって、ＨＡＺ部５の表面を打撃する超音波衝撃処理によって、ＨＡＺ部の金属組織を細粒化させ、その結果として、靭性を著しく向上させることができる。
このメカニズムは明らかではないが、超音波振動端子６により高周波の打撃によって、鋼材の表面が塑性変形し、その加工発熱によって、ＨＡＺ部の金属組織が再結晶して細粒化するものと考えられる。
なお、この加工発熱による再結晶を促進するため、超音波振動端子による打撃処理の処理前または処理中に鋼材を補助加熱することが好ましく、この補助加熱方法は問わないが、大規模な設備の不要な誘導加熱方法もしくは通電加熱方法が好ましい。
【００１３】
本発明に使用する超音波発生装置は問わないが、２００ｗ〜３ｋｗの電源を用いて、トランスデューサによって１９ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの超音波振動を発生させ、ウェーブガイドにて増幅させることにより、φ５ｍｍ〜φ３０ｍｍのピンからなる超音波振動端子を２０〜６０μｍの振幅で振動させる装置が好ましい。
なお、本実施形態においては、鋼材２側のＨＡＺ部の表面に超音波衝撃処理を行っているが、鋼材１側のＨＡＺ部の表面に超音波衝撃処理を行ってもよい。
【００１４】
図２は、図１におけるＨＡＺ部５の詳細図である。
図２において、３は溶接金属、７は溶接金属と母材とのフュージョンライン（ＦＬ）、８はフュージョンライン（ＦＬ）に隣接する結晶粒、１０は止端部を示す。
図２において、最終パスによって形成されたＨＡＺ部５における溶接金属３と母材とのフュージョンライン（ＦＬ）７に隣接する結晶粒８において、鋼材表面からの深さｔ０が２ｍｍ以上の深さまでの各結晶の長径の平均を、鋼材表面から板厚ｔの１／４の深さにおける溶接前の母材の結晶粒径相当とする。
なお、ここでの母材の結晶組織としては、用いられる鋼材により、フェライト組織、フェライト−パーライト組織、ベイナイト組織、マルテンサイト組織等の１つまたは２つ以上の組み合わせの金属組織が許容される。
また、母材の結晶粒径相当の上限としては、熱影響部の靭性向上の目的を満たすうえで、母材の結晶粒径の１２０％以下まで許容できるものとし、結晶粒が細かい程靭性が向上することから下限は設けないこととする。
ｔ０を２ｍｍ以上の深さまでとするのは、２ｍｍ未満では靭性向上効果が不十分だからである。
また、各結晶の長径の平均を、鋼材表面から板厚ｔの１／４の深さにおける溶接前の母材の結晶粒径相当とするのは、溶接前の母材における代表的な場所における靭性と同等の靭性を確保できれば十分だからであり、この靭性向上効果を十分発揮させるためには各結晶の長径の平均を３０μｍ以下とすることが好ましい。
なお、破壊の単位尺度として、破壊靭性とより高い相関関係にある結晶の長径を採用した。
また、ここでのＨＡＺのフュージョンラインに隣接する結晶粒は、用いられる鋼材により、母材と同種の結晶組織の他、これらの組織が粒界フェライトやフェライトサイドプレートで一部または全部を縁取られた結晶組織からなるものとする。
【００１５】
＜第２の実施形態＞
図３は、本発明の鋼材の隅肉溶接継手における熱影響部の靭性向上方法である第２の実施形態を示す図である。図３において、鋼材１と鋼材２とが垂直に組み合わされたコーナー部を隅肉溶接により接合されており、３は溶接金属、４は止端部に隣接する溶接パス、５は止端部に隣接するパスにより形成された熱影響部（ＨＡＺ部）、６は超音波振動端子、７は母材と溶接金属とのフュージョンライン（ＦＬ）、ｔは母材の板厚、１０は止端部を示す。
図３に示す隅肉溶接継手においては、主応力のかかる鋼材１の止端部１０が最も応力が集中し易く破断の起点となることが多いので、破壊靭性が要求される部分である。
この隅肉溶接継手は、前述の多層溶接継手とはビード形状が異なるため、溶接パス４の後に続く溶接パスの入熱によるＨＡＺ部の細粒化効果は比較的小さい。
【００１６】
そこで、最も破壊靭性が要求される止端部の近傍を超音波振動端子（ハンマー）６によって打撃する超音波衝撃処理によって、ＨＡＺ部の金属組織を細粒化させ、その結果として、靭性を著しく向上させることができる。
このメカニズムは明らかではないが、超音波振動端子６により高周波の打撃によって、鋼材の表面が塑性変形し、その加工発熱によって、ＨＡＺ部の金属組織が再結晶して細粒化するものと考えられる。
なお、この加工発熱による再結晶を促進するため、超音波振動端子による打撃処理の処理前または処理中に鋼材を補助加熱することが好ましく、この補助加熱方法は問わないが、大規模な設備の不要な誘導加熱方法もしくは通電加熱方法が好ましい。
【００１７】
本発明に使用する超音波発生装置は問わないが、２００ｗ〜３ｋｗの電源を用いて、トランスデューサによって１９ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの超音波振動を発生させ、ウェーブガイドにて増幅させることにより、φ５ｍｍ〜φ３０ｍｍのピンからなる超音波振動端子を２０〜６０μｍの振幅で振動させる装置が好ましい。
また、止端部の近傍の熱影響部における溶接金属と母材とのフュージョンライン（ＦＬ）に隣接する金属組織において、前記鋼材表面から２ｍｍ以上の深さまでの各結晶の長径の平均を、該鋼材表面から板厚ｔの１／４の深さにおける溶接前の母材の結晶粒径相当とするＨＡＺ部の細粒化の条件および理由は、多層溶接継手の場合と同様である。
【００１８】
【実施例】
本発明の鋼材の溶接継手における熱影響部の靭性向上方法の実施例を以下に示す。
＜第１および第２の実施例＞
なお、表１および表２が前述の第１および第２の実施形態に対応する実施例である。
表１に示す成分、板厚、強度の鋼材同士を突合せ溶接または隅肉溶接を行った。溶接方法は、表２に示すように、ＳＡＷ溶接（Submerged Arc Welding）、ＣＯ２溶接（ＣＯ２ Arc Welding）、ＭＡＧ溶接（Metal Arc Welding）のいずれかとし、最終パス（隅肉溶接の場合には止端部に隣接するパス）により形成されたＨＡＺ組織の結晶粒径（長径の平均）を測定したところ、いずれも１００μｍ以上であった。
【００１９】
次に、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７の本発明例においては、ハンマー径φ１０〜３０ｍｍの超音波振動端子にて超音波衝撃処理を行ったところ、フュージョンラインに隣接し、最終の溶接パス（隅肉溶接の場合は止端部の近傍の溶接パス）によって形成されたＨＡＺ組織の結晶粒径（長径の平均）はいずれも、鋼材表面から２ｍｍ以上の深さまで溶接前の母材の結晶粒径相当の３０μｍ以下となり、その結果、いずれも平均１７０Ｊ以上の高い靭性値を示した。
なお、Ｎｏ．３、Ｎｏ．５、Ｎｏ．７では、超音波衝撃処理時に誘導加熱によって補助加熱を行った。
また、靭性の評価は、シャルピー衝撃吸収エネルギーにより、９本の試験片の平均値とした。
また、試験片は、ＨＡＺ部の表層部から採取して表面の黒皮を取って使用し、切り欠き位置はフュージョンライン（ＦＬ）とした。
次に、Ｎｏ．８〜Ｎｏ．１４の比較例においては、超音波衝撃処理を省略したところ、ＨＡＺ組織の結晶粒径（長径の平均）はいずれも１００μｍ以上となり、その結果、いずれも１１０Ｊ以下の低い靭性値を示した。
【００２０】
【表１】
0004189201.tif 000002
【表２】
0004189201.tif 000003
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、鋼材の溶接継手の止端部の近傍に、超音波振動端子による打撃処理を行うことにより、鋼材の多層溶接継手、隅肉溶接継手における熱影響部の靭性向上方法を提供することができ、産業上有用な著しい効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の鋼材の多層溶接継手における熱影響部の靭性向上方法である第１の実施形態を示す図である。
【図２】  図１におけるＨＡＺ部５の詳細図である。
【図３】  本発明の鋼材の隅肉溶接継手における熱影響部の靭性向上方法である第２の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１：鋼材、
２：鋼材、
３：溶接金属、
４：溶接パス、
５：熱影響部（ＨＡＺ部）、
６：超音波振動端子、
７：母材と溶接金属とのフュージョンライン（ＦＬ）、
８：フュージョンライン（ＦＬ）に隣接する結晶粒、
１０：止端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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