(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板厚５０ｍｍ以上の鋼板の多層盛突合せ溶接継手において、表面溶接層と裏面溶接層間の溶接層のうちの少なくとも一つの溶接層の層全体が、その上層の溶接層の溶接の際に焼戻し効果を付与されてより優れた靭性を有し、溶接継手の長手方向の脆性き裂の伝播を抑制又は止める破壊抵抗層として機能する溶接層として形成されていることを特徴とする耐脆性き裂伝播特性に優れた多層盛突合せ溶接継手。
【請求項２】
前記破壊抵抗層として機能する溶接層が、溶接継手の厚み方向に間隔を置いて複数形成されていることを特徴とする請求項１に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた多層盛突合せ溶接継手。
【請求項３】
前記破壊抵抗層として機能する溶接層が、溶接継手の長手方向において連続して形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた多層盛突合せ溶接継手。
【請求項４】
前記破壊抵抗層として機能する溶接層が、溶接継手の長手方向において断続して形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた多層盛突合せ溶接継手。
【請求項５】
前記破壊抵抗層として機能する溶接層の長さが２００ｍｍ以上であり、断続間隔が４００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた多層盛突合せ溶接継手。
【請求項６】
鋼板を多層盛突合せ溶接した溶接継手部を有する溶接構造体であって、前記溶接継手部のうち、少なくとも脆性き裂が発生し、溶接継手の長手方向に伝播する可能性のある溶接継手部を、請求項１〜５のいずれかに記載の多層盛突合せ溶接継手としたことを特徴とする溶接構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接継手に発生した脆性き裂の伝播を抑制するか又は止める特性、即ち、耐脆性き裂伝播特性に優れた多層盛突合せ溶接継手と、該溶接継手を有する溶接構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼板を溶接して溶接構造体を建造する場合、建造コストの低減や、溶接施工能率の向上のため、通常、大入熱溶接方法を用いるが、大入熱溶接方法で形成した溶接継手においては、溶接熱影響部（以下「ＨＡＺ部」ということがある）の靭性が低下するし、また、ＨＡＺ部の幅が増大して、破壊靭性値Ｋc（脆性破壊に係る指標）も低下する。
【０００３】
溶接継手の破壊は、溶接時に形成された欠陥に応力が集中して、該欠陥を起点にき裂が発生し、このき裂が、継手内部を伝播して起きる。溶接継手の破壊靭性値Ｋcが低いと、き裂が発生し易く、かつ、き裂の伝播は速いので、突発的に、溶接継手の破壊が起きることになる。即ち、溶接継手が脆性破壊する。
【０００４】
溶接継手の脆性破壊を防止するためには、（ｉ）き裂の発生を抑制する、及び、（ii）発生したき裂の伝播を抑制するか又は止めることが必要である。そこで、本出願人は、上記（ｉ）の観点に立ち、破壊靭性値Ｋcを充分に高める手法を見出し、耐脆性破壊発生特性に優れた大入熱突合せ溶接継手を提案し（特許文献１及び２、参照）、また、破壊靭性値Ｋcに基いて、大入熱突合せ溶接継手の耐脆性破壊発生特性を適確に検証する検証方法を提案した（特許文献２、参照）。
【０００５】
本出願人が提案した上記溶接継手は、脆性破壊が発生し難く、溶接構造物の安全性を高めることができる点で、有用なものであり、また、上記検証方法は、脆性破壊が発生し難い溶接継手を設計する上で、有用なものである。
しかし、通常の応力負荷環境でき裂が発生しないように設計した溶接継手においても、突発的又は衝撃的な応力や、不規則で複雑な応力を受けて、き裂が発生することがある。
【０００６】
従来、板厚が２５ｍｍ程度のＴＭＣＰ鋼板の突合せ溶接継手において、脆性き裂は、溶接継手内部の残留応力の作用により、母材側に逸れていくので、母材の耐脆性き裂伝播特性を高めれば、溶接継手内部で発生した脆性き裂を母材に誘導して停止させることができると考えられていた。
しかしながら、近年、溶接構造物の大型化や、構造の簡素化に伴い、設計応力を高く設定することができることから使用され始めた高張力厚鋼板の場合、突合せ溶接継手で発生した脆性き裂は、溶接継手の破壊抵抗値の程度によっては、母材側に逸れず、ＨＡＺ部に沿って伝播することが、本発明者の破壊試験の結果、判明した（非特許文献１、参照）。
【０００７】
また、本発明者は、板厚が、例えば、７０ｍｍ以上の鋼板の場合、溶接継手には、板厚方向に大きな靭性分布が形成され、脆性き裂が、例え、溶接継手に交差して補強板を隅肉溶接していても、該補強板で捕捉されず、溶接金属部又はＨＡＺ部に沿って伝播し、溶接継手が破壊に至ることが判明した。
【０００８】
そこで、本発明者は、上記判明事実を踏まえ、垂直部材の突合せ溶接継手と水平部材の隅肉溶接継手が交差する領域の一部又は全部を除去し、補修溶接により圧縮残留応力を有するＮｉ含有量が２．５質量％以上の靭性に優れた溶接金属（特許文献３、参照）、または、アレスト性能（ＫＣａ値）が２０００ Ｎ／ｍｍ1.5以上の破壊靭性の優れた溶接金属（特許文献４、参照）を形成し、脆性き裂が垂直部材の突合せ溶接部の長手方向に沿って伝播した場合でも、このき裂伝播方向を高靭性または高アレスト性能の溶接金属周囲に逸らし、水平部材の母材部で停止させる脆性き裂伝播停止能に優れた溶接継手および溶接方法を提案した。
【０００９】
これらの方法は主に１パス大入熱突合せ溶接継手においてＦＬ（溶接金属と母材熱影響部との境界）に沿って伝播するき裂をアレスト性能が高い鋼板側に逸らして母材内で停止させることにより突合せ溶接継手の安全性を向上するものである。
【００１０】
しかし、本発明者らは、多層盛突合せ溶接継手の大型破壊試験の結果から、多層盛突合せ溶接継手では、き裂が溶接金属内部で伝播するため、従来の１パス大入熱突合せ溶接継手で有効であった方法を適用しても多層盛突合せ溶接継手では十分な効果が得られないことを確認した。
このため、板厚５０ｍｍ以上の鋼板の多層盛突合せ溶接継手において発生した脆性き裂を確実に停止し、突合せ溶接継手の大規模損傷を回避する技術が必要となる。
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−１４４５５２号公報
【特許文献２】特開２００６−０８８１８４号公報
【特許文献３】特開２００５−１１１５２０号公報
【特許文献４】特開２００６−０７５８７４号公報
【非特許文献１】溶接構造シンポジウム講演概要集２００６、ｐ．１９５〜２０２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、板厚５０ｍｍ以上の鋼板を多パスで突合せ溶接する際、溶接継手に、万一、脆性き裂が発生しても、脆性き裂が溶接継手の長手方向に伝播し難く、かつ、伝播してもいずれ停止する特性、即ち、耐脆性き裂伝播特性に優れた溶接継手を形成することを課題とする。
そして、本発明は、上記課題を解決し、耐脆性き裂伝播特性に優れた溶接継手、及び、該溶接継手を有する溶接構造体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】
【００１３】
本発明者は、上記判明事実を踏まえ、上記課題を解決する手法について鋭意研究した。その結果、多層盛溶接継手の表面溶接層と裏面溶接層の間に、他の溶接層より優れた靭性を有する溶接層を少なくとも一層形成しておけば、この靭性に優れた溶接層が破壊抵抗層として機能し、万一脆性き裂が発生しても、溶接継手の長手方向へのき裂の伝播を抑制するか、又は、伝播を止めることができることを見いだした。
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
【００１４】
（１）板厚５０ｍｍ以上の鋼板の多層盛突合せ溶接継手において、表面溶接層と裏面溶接層間の溶接層のうち、少なくとも一つの溶接層の層全体が、その上層の溶接層の溶接の際に焼戻し効果を付与されてより優れた靭性を有し、溶接継手の長手方向の脆性き裂の伝播を抑制又は止める破壊抵抗層として機能する溶接層として形成されていることを特徴とする耐脆性き裂伝播特性に優れた多層盛突合せ溶接継手。
（２）前記破壊抵抗層として機能する溶接層が、溶接継手の厚み方向に複数間隔を置いて形成されていることを特徴とする前記（１）に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた多層盛突合せ溶接継手。
（３）前記破壊抵抗層として機能する溶接層が、溶接継手の長手方向において連続して形成されていることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた多層盛突合せ溶接継手。
（４）前記破壊抵抗層として機能する溶接層が、溶接継手の長手方向において断続して形成されていることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた多層盛突合せ溶接継手。
（５）前記破壊抵抗層として機能する溶接層の長さが２００ｍｍ以上であり、断続間隔が４００ｍｍ以下であることを特徴とする前記（４）に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた多層盛突合せ溶接継手。
（６）鋼板を多層盛突合せ溶接した溶接継手部を有する溶接構造体であって、前記溶接継手部のうち、少なくとも脆性き裂が発生し、溶接継手の長手方向に伝播する可能性のある溶接継手部を、前記（１）〜（５）のいずれかに記載の多層盛突合せ溶接継手としたことを特徴とする溶接構造体。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、板厚５０ｍｍ以上の鋼板の多パス突合せ溶接において、耐脆性き裂伝播特性に優れた溶接継手を形成することができ、その結果、板厚５０ｍｍ以上の鋼板を用いて、耐脆性き裂伝播特性に優れた溶接構造体を建造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１に、鋼板１の突合せＶ開先を多パスで溶接して形成した本発明の多層盛突合せ溶接継手の一態様を示す。
【００１７】
図１に示した態様においては、各溶接層を、裏面溶接層２ｂを除いて複数のパスで形成し、多層盛溶接によりそのような溶接層を順次積み上げたものである。
その際、表面溶接層２ａと裏面溶接層２ｂの間の溶接層の中に、溶接層２ａ、２ｂ及び他の中間の溶接層２ｃよりも優れた靭性を備える溶接層（以下、高靭性溶接層ともいう。）２ｘを形成する。
本発明では、そのような高靭性溶接層２ｘを、その上層の溶接層２ｃの溶接の際に焼戻し効果を付与されてより優れた靭性を有するようになった層とする。
【００１８】
高靭性溶接層２ｘを形成するには、まず、その層の各溶接パス（以下、特定溶接パスというときもある。）の入熱を、通常の溶接パスの入熱の７０％以下として溶接する。そうすると、図２に示すように、その溶接層は、のど厚Ｌｘが、通常の溶接パス（他の中間の溶接パス）ののど厚Ｌｃより小さい溶接パスで形成される。そして、その層に引き続いてその上層２ｃを溶接する場合は、各溶接パスを通常の入熱量に戻して、Ｌｘよりも大きいのど厚Ｌｃで溶接する。
これにより、のど厚を小さく形成された溶接パスは、その上層の溶接パスの熱影響により層全体が焼戻される。
【００１９】
このように、溶接層２ｘは、その上層の溶接パスの熱影響を受けて焼戻され、その焼戻し効果によって他の層より靭性が向上するため、脆性破壊に対する大きな抵抗を有している。
このため、万一溶接継手内部に脆性き裂が発生しても、次に説明するように、高靭性な溶接層２ｘによって、溶接継手長手方向のき裂の伝播を抑制するか又は止めることができる。
【００２０】
溶接継手を構成する多層盛溶接層の中に、高靭性溶接層２ｘを配置することにより、溶接継手の板厚方向における靭性分布は、溶接層２ｘのところで、急峻に変化するから、上下に分断された形となる。即ち、図１に示す溶接継手においては、高靭性溶接層２ｘを挟み、上下に、相対的に低靭性の溶接層２ｃが存在する。
【００２１】
溶接継手に、例えば、衝撃的な応力が作用すると、高靭性溶接層２ｘは、脆性破壊し難いから、脆性き裂は、図４に示すように、板厚表面側の脆性き裂Ｘと板厚裏面側の脆性き裂Ｙに分岐して生成して、それぞれの側で、溶接層２ｃ中を伝播する。
図４のように、脆性き裂Ｘは、その両端が継手表面と高靭性溶接層２ｘに達しているが、脆性き裂Ｙは、まだ、溶接層２ｃ中に存在しているような場合、２本の脆性き裂Ｘ、Ｙは、ともに、板厚方向に幅の狭いき裂のまま溶接継手の長手方向に伝播して行く。その結果、き裂先端の応力拡大係数が低下して、き裂を伝播させるドライビングフォースが小さくなるので、き裂の伝播が止まり易くなる。
【００２２】
脆性き裂Ｙが、徐々に、板厚方向に伝播し、図５に示すように、溶接層２ｃの脆性破壊領域を伝播し高靭性溶接層２ｘに達すると、溶接層２ｘにおける脆性き裂Ｘ、Ｙ間の延性破壊領域Ｚで塑性変形が生じ、延性破壊しながら、脆性き裂Ｘ、Ｙの伝播エネルギーを吸収する。
その結果、脆性き裂Ｘ、Ｙは、図６に示すように、板厚表面側及び板厚裏面側において、それぞれ、ある程度伝播したところで、停止することになる。
【００２３】
このため、多層盛突合せ溶接した溶接継手部のうち、少なくとも脆性き裂が発生し、溶接継手の長手方向に伝播する可能性のある溶接継手部に、高靭性溶接層２ｘを形成しておくことにより、脆性き裂が発生した場合でも、この高靭性溶接層２ｘが破壊抵抗層として機能し、溶接継手長手方向に沿うき裂の伝播を抑制するかあるいは止めることができるので、多層盛突合せ溶接した溶接継手部を有する溶接構造体の耐脆性き裂伝播特性を向上することができる。
【００２４】
以上のような高靭性溶接層２ｘは、図１に示すような１層のみに限らず、図３に示すように、表面溶接層２ａと裏面溶接層２ｂの間の複数の溶接層の中に、溶接層２ａ、２ｂ及び２ｃの靭性より優れた靭性を備える高靭性溶接層２ｘと２ｙが、間に溶接層２ｃを挟んで形成することもできる。この場合にはより脆性き裂の伝播を抑制する性能が高まる。
【００２５】
また、高靭性溶接層は、溶接継手の長手方向に連続して存在することが望ましいが、溶接継手の長手方向において２００ｍｍ以上の長さが確保されていれば、溶接継手内部に発生した脆性き裂の伝播を抑制するか又は止める機能を発揮するので、溶接継手の長手方向に断続的に存在することも可能である。断続的に形成する場合は、その都度、溶接条件を切り替える必要があり、また、層の途中で層厚が変化することにもなるので、溶接継手の長手方向全長にわたって高靭性溶接層とするのがより好ましい。
【００２６】
さらに、断続的にする場合には、高靭性溶接層としない部分の長さは４００ｍｍ以下とする必要がある。断続間隔が４００ｍｍを超えると、初期に生成したき裂が伝播して、最終的に形成される一本のき裂の長が４００ｍｍ以上になる可能性がある。き裂の長さが４００ｍｍ以上になると、き裂が有するエネルギーが過大となり、高靭性溶接層が充分に機能せずに、高靭性溶接層で脆性き裂を分岐させることが難しくなる。
【００２７】
本発明で対象とする溶接継手は、板厚５０ｍｍ以上の鋼板を突合せ溶接したものである。溶接継手の開先底部からの板厚方向の高さが５０ｍｍ以上あれば、複数の溶接層の中に高靭性溶接層を形成しておくことにより、より好ましくは、間に他の溶接層を挟んで複数の高靭性溶接層を形成しておくことにより、高靭性溶接層の上記機能を充分に発揮せしめることができる。特に、鋼板の板厚が７０ｍｍ以上の場合には高靭性溶接層の機能をより充分に発揮することができる。
【００２８】
なお、本発明では、溶接継手を形成する開先形状については、Ｖ型、Ｘ型、Ｋ型、レ型など、特にその種類を限定するものではない。また、溶接継手を形成する際の、溶接姿勢、パス数、多層盛溶接方法などについても、本発明は特に限定されるものではない。
【００２９】
次に、本発明の実施例について説明するが、実施例の条件は、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、この例に限定されるものではない。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、本発明は種々の条件を採用し得るものである。
【実施例】
【００３０】
表１に示す鋼板条件及び溶接パス条件で形成した溶接継手を有する試験体を作製し、脆性き裂伝播試験で耐脆性き裂伝播特性を測定した。その結果を、表２に示す。なお、その際に用いた鋼板鋼種の組成を表３に、溶接材料の組成を表４にそれぞれ示した。
【００３１】
溶接継手の作製にあたっては、板厚が５０ｍｍ〜１００ｍｍの鋼板を用い、すべての溶接パスを同一の溶接材料を用いて炭酸ガスアーク溶接によって行った。
なお、表４に示す溶接材料としては、溶接金属の降伏強度が３６ｋｇ／ｍｍ２および４７ｋｇ／ｍｍ２を十分満足するように設計された化学組成を有する２種類のフラックス入りワイヤを用いた。
溶接時の開先は、鋼板の板厚と降伏強度に応じて、鋼板端部に、Ｖ、ＸあるいはＫ型の開先を機械加工により施し、表１に示す入熱量を適用し、溶接長を２５００ｍｍとする溶接継手を形成した。
【００３２】
表１中、特定溶接パスが、高靭性溶接層を形成する溶接パスであり、特定溶接パスとそれ以外の基本溶接パスについて、それぞれの溶接時の入熱量を表１に記載した。
また、基本溶接パスの中でも、特定溶接パス層の直上の層を形成する溶接パスは、特定溶接パス層に焼戻し効果（熱影響）を与えてその層の靭性を向上させるため、そのパスの入熱量とパス間温度をそれ以外の溶接パスと区別して記載した。
なお、すべてのパスのパス間温度は、８０℃から１５０℃の範囲となるように溶接施工を行った。
【００３３】
特定溶接パスは、その溶接ビードの領域全体にわたり、直上の層のパスから十分な熱容量を受ける必要があることから、のど厚Ｌｘが大きくなりすぎないように抑制した。本実施例では、入熱量に加え、溶接ビードの大きさ、すなわち、のど厚Ｌｘを決定する要因となるパス間温度も特に８０℃を超えないように制限した。
また、特定溶接パスの直上の層を形成する溶接パスのパス間温度は、特定溶接パスに十分な焼戻し（熱影響）を与えるべく、すべての継手で本実施例での上限のパス間温度である１５０℃とした。
【００３４】
高靭性溶接層を形成するために実施する特定溶接パスは、１つの継手中に１層から５層の範囲とした。
表１において、長手方向長さが「連続」とは、高靭性溶接層を形成する溶接ビードを全溶接長である２５００ｍｍにわたり施していることを示している。また、長手方向長さおよび長手方向間隔の欄に記載した数値は、それぞれ、高靭性溶接層が継手の溶接長手方向に存在する長さ、および、隣り合う高靭性溶接層どうしの長手方向の間隔を示している。
【００３５】
【表１】
0005052976.tif 000002
【００３６】
【表２】
0005052976.tif 000003
【００３７】
【表３】
0005052976.tif 000004
【００３８】
【表４】
0005052976.tif 000005
【００３９】
表１において、Ｎｏ.１〜８は、本発明に従い高靭性溶接層を導入した継手であり、導入にあたり、高靭性溶接層の継手長手方向の分布形態をさまざまに変化させたものである。
このＮｏ．１〜８の発明例において、脆性き裂は、伝播してもその長さは短く、直ぐに停止（アレスト）していることが解る。
【００４０】
一方、Ｎｏ.９〜１８は比較例であり、特に、Ｎｏ.９〜１３及びＮｏ.１６〜１８は、本発明に係る高靭性溶接層を全く形成していない継手である。また、Ｎｏ.１４、１５は、継手中に高靭性溶接層を２層あるいは３層形成させたものの、その長手方向長さを２００ｍｍまでとし、かつその間隔が４００ｍｍを超えている継手である。
Ｎｏ.９〜１８の比較例では、すべての場合において、継手全長にわたり脆性き裂が容易に伝播し、アレストされることなく試験体が破断した。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
前述したように、本発明によれば、板厚５０ｍｍ以上の鋼板を用いて、耐脆性き裂伝播特性に優れた溶接継手を有する溶接構造体を建造することができる。したがって、本発明は、溶接構造物の建造分野において、利用可能性が大きいものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の多層盛突合せ溶接継手の一態様を示す図である。
【図２】本発明の多層盛突合せ溶接継手を形成する過程を説明する図である。
【図３】本発明の多層盛突合せ溶接継手の別の態様を示す図である。
【図４】本発明の溶接継手において、板厚表面側と板厚裏面側のそれぞれに、脆性き裂が生成した態様を示す図である。
【図５】２本の脆性き裂間の領域で、塑性変形が生じ、延性破壊した態様を示す図である。
【図６】板厚表面側及び板厚裏面側において、脆性き裂がある程度伝播し、停止する態様を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１    鋼板
２    溶接金属部
２ａ    表面溶接層
２ｂ    裏面溶接層
２ｃ    多層盛溶接における中間の溶接層
２ｘ、２ｙ    高靭性溶接層
Ｌｘ    高靭性溶接層ののど厚
Ｌｃ    中間の溶接層ののど厚
Ｘ、Ｙ    脆性き裂
Ｚ    延性破壊領域
【図１】
0005052976.tif 000006
【図２】
0005052976.tif 000007
【図３】
0005052976.tif 000008
【図４】
0005052976.tif 000009
【図５】
0005052976.tif 000010
【図６】
0005052976.tif 000011