溶接継手特性のデータベース
新日鐵（株）

1）

糟谷正

はじめに溶接部の機械的特性を推定するための手段はこれまでも多く報告されてきた。
その特性としては・溶接熱影響部の最高硬さ・低温割れ感受性・シャルピー衝撃値などである。これらの推定手段は実験データを基に推定式を作成する、というものがほとんどである。また、溶接部の機械的特性は溶接条件または冷却時間にも強く依存することから、これらの推定も欠かすことはできない。
これらの推定方法は、鋼材組成と冷却時間をパラメーターとして式であるため、プログラムは比較的容易である。最高硬さ推定式や低温割れ感受性については、新日鐵では社内用にBasicでプログラムされている溶接インフォメーションシステムがあり・パソコンで推定できるようになっている。また・このシステムは 86年のWelding Showでも一部紹介されており1）、新日鐵内では社内ユーザーの間では良く利用されている。しかし、著者の経験からすれば、このシステムに対し不満がないわけではない。具体的な例を挙げれば、鋼材の名称が与えられたときの硬さ、割れ感受性推定である。推定式が鋼材組成をパラメーターとしているため・溶接インフォメーションシステムも当然のことながら鋼材組成をインプットするよう利用者に要求してくる。手元に組成があればいいが、システムを利用したいと考えている利用者すべてが鋼材組成を知っていると期待するわけにも行かない。
こういう問題は、システムに代表的鋼材組成のデータベースがあればかなり解決するであろう。

鋼材組成に限らず、システムにデータベースの機能が付加されればより使いやすくなる問題も多い。この理由としては・溶接のような複雑な現象は・推定式等数式化できないものも多いからである。システムにデータベースの機能を付けることをはっきりと意識した溶接部継手特性推定システム例としては、神尾らが開発したwelsys2がある8）。しかし・このシステムは単なるデータベース活用と言うよりは、エキスパートシステムの利用を目的としていたため、AIやエキスパートシステムになじみの薄い者にとってはなかなか利用しにくい。例えば、welsys2は、OPS83というエキスパートシステム構築ツールが用いられているがこのツールの利用はFortran等の言語になれた者にとってはとっつきにくいものである。しかし、このようなAlツールを用いた開発方法は今後の一つの方向かも知れない。
Fortran等従来のプログラミングとA l手法は互いに対立するものではなく、それぞれ補完し合うものである。しかし、これまで発表された継手特性推定方法は、どちらかと言うとアルゴリズム的である。従って、これら推定方法の不便さを補完するものとしてデータベースの役割もまだ十分あると考える。

2）

システム概要一91一

本システムは、継手特性推定にこれまで文献などで紹介されてきた推定式を用いており、これが本システムの中心となっているため、溶接インフォメーションシステムとその本質では大きな差がない。しかし欠点を補う機能としてデータベースを活用している。このデータベースを活用することにより、鋼材組成を必ずしも入力しなくともよい・入力した場合は入力ミスをチェックする（成分規格にあっているかチェックする）、溶接材料データ（水素量等）を入力しなくともよい、などの機能を付加させることができる。
システムは、推定式の計算を行う部分とデータベースに分かれるがそれらの機能を列記すると以下のようになる。なお、推定式については後ほど紹介する。
① 計算機能・ 800℃〜500℃（△t8／5）の冷却時間、540℃での冷却速度（R540）（Rosenthalの式を修正した式を用いる）

・

HAZ最高硬さ（鋼材成分と△t8／5より計算）

・ SR後硬さ（SR無しは、aswelded硬さ表示）（HAZ最高硬さ推定値と、SR条件で決まるテンパーパラメーターで計算）

・ 低温割れ防止予熱温度（炭素当量、水素量、入熱量等より計算）● ボンド部シャルピー衝撃値（鋼材組成とR540より計算）
上記特性は、すべて推定式としてこれまで発表されてきたものを利用している。

②データベース機能
・ 鋼材の代表的組成値例（鋼材組成がユーザーの手元に無い時に利用される）・ 鋼材成分規格（鋼材成分をユーザーが入力するとき、入力ミスを発見するときに利用される）・溶接材料のデータ（引張強度、水素量、衝撃値等）（引張強度、水素量は、鋼材割れ感受性評価に利用、衝撃値は参考データとして表示）
上記データベースは必要に応じて参照される。システムの構成を図1に示す。

3）
3−1）

各機能の説明溶接部冷却時間の計算

これまで報告されてきた冷却時間の推定方法のうち、比較的よく知られているものはRosenthalの式2）と田中の式3）である。このうち、田中の式は精度がよいが式が複雑であるため本システムでは採用していない。Rosenthalの式は表面熱放散の効果が評価できないため十分ではない。本システムでは、Rosentha1の式の欠点一92一を補った式を用いた。これは、表面熱放散効果を指数関数で代表させるもので、
渡辺ら4）が用いている。表面熱放散の効果を無視した有限板厚のRosenthalの式は、
qoo
T−To＝一Σexp［（一v／2κ）｛x＋r（n）｝］／r（n）
2πλ（1）

n＝一〇〇2221／2（r（n）＝｛x＋y＋（z−2nh）｝となる。（1）式に指数関数を乗じた式）

qO。
2T−To二一Σexp［（一v／2κ）｛x＋r（n）｝一at］／r（n）
2πλ nニーo。

2＋（T，一丁。）eXP（一at）（2）
が本システムで用いている冷却時間計算式である。（2）式の第2項は予熱が行われたときの効果を表す。なお・記号の意味については表1にまとめた。本システム
では、以下の熱定数を用いて計算を行っている。
λ＝0．252［J／c田・sec・。C］、

3−2）

2

κニ0．042［cm。cm／sec］、a＝0．0084［／sec］

HAZ最高硬さ推定

HAZ最高硬さ推定式は・これまで多くの研究者による報告があり・溶接継手特性推定という点に関しては最も実用的な推定方法が開発された分野といってよい。本システムでは・これまで発表された推定式のうちから・比較的適用成分範囲の広い、以下の式を採用した5）。
cEl＝cp＋si／24＋Mn／6＋cu／15＋Ni／12＋cr（1−o．16cr1／2）／8＋Mo／4＋△H（3）

CE2＝C＋SI／24＋Mn／5＋Cu／10＋Ni／18＋Cr／5＋Mo／2．5＋V／5＋Nb／3（4）CE3＝Cp＋Mn／3．6＋Cu／20＋Ni／9＋Cr／5＋Mo／4
Cp＝c
C／6＋0．25

0△Hニ 0．03fn
0．06fnO．09fn

C≦0．3

（5）
（6）

C＞0．3

B≦1PP田

B＝2PP■
B＝3PP監（7）

B≧4PP職
fn＝（0．02−N）／0．02
Hm＝884C（1−0．3C、／2）＋294

Tbニexp（6．2CE3＋0．74）

（8）
（9）
（10）
（II）
（12）

X（rad）＝4109｛（△t8／5）／丁自｝／lo9｛Tb／Tm｝一2（13）Hv＝（Hm＋Hb）／2一（Hm−Hb）・arctan（X）／2．2（14）

TM＝exp（10．6CEl−4．8）
Hb＝145＋130tanh（2．65CE2−0．69）（14）式のHvがHAZ最高硬さ推定値（ビッカース硬さ）である。（14）式中の△t8／5は（2）式を用いて計算される。

3−3）

SR後の硬さ推定
一93一SRするとHAZの最高硬さが変化するがそれはテンパーパラメーター（TP）を用いて推定することが可能である6）。

Hv（SR）＝Hv（as−welded）一△Hv

（15）

21／2
△Hv＝｛884C＋117−197CE2＋16．5（TP−21．5）｝M＋｛18（TP−18）一138｝V2
1／2 ＋｛25（TP−17．3）一55｝Mo2
1／2＋｛20（TP−18）一268｝Nb−7CE2＋26（16）M＝0．5−0。455arctan（X）（17）

TPニ（丁＋273）［20＋lo9｛t（hr）｝］／1000（18）

ここに、tはSRを行った時間（単位；hour）で、TはSR温度（℃）である。また、（17）式中のXは（13）式で与えられ・Mはマルテンサイト組織の体積率を示す。

3−4）

低温割れ防止予熱温度の評価

溶接部の低温割れ支配要因としては、鋼材組成（または炭素当量）・水素量、溶接条件、拘束度・応力集中などがあるため、これらの効果が評価できる方法が望ましい。本システムとしては、炭素当量として
CEN＝C＋A（C）｛Si／24＋Mn／6＋Cu／15＋Ni／20＋（Cr＋Mo＋Nb＋V）／5＋5B｝（A（C）＝0．75＋0．25tanh｛20（C−0．12）｝

（19）

）

を用いている。CENが定まると、以下の手続きに従い必要予熱温度を算出する6）。
①鋼材成分よりCENとCE（HW）計算②水素量より△CEN計算（図2）③入熱、CE（IIW）より△CEN計算（図3）④板厚及びCEN＋Σ△CENより必要予熱温度計算（図4）⑤通常溶接及び補修溶接の施工予熱温度計算（図5）3−5）ボンド部シャルピー衝撃値推定

シャルピー衝撃値は重要な継手特性の一つであるにもかかわらず、その推定式の信頼性はまだ硬さ推定式ほどではないように思われる。その理由としては、衝撃値などHAZ靭性は、硬さなどより多くの要因があり複雑な現象なためであろう。そのため、3−2）の推定より信頼度は落ちるかも知れないが、ここでは以下の推定式を採用することとした7）。
Ceql＝C＋Si／53＋Mn／8．5＋Nl／36−Cr／210＋Mo／17−V／1．5＋Al／4．3＋5．1B（20）

Ceq2＝C−Si／7．4＋Mn／9．2−Ni／174＋Cr／109−Mo／l18−V／1．4＋Al／7．5＋1．7B（21）vE（0℃）＝一106Ceq1＋1．15R540杢34．1（22）

vE（一40℃）＝一42．9Ceq2＋0．807R540＋9．31（23）

なお、vEの単位はkg阻／c『である。
3−6）

データベース機能

データベースは鋼材組成値、鋼材成分規格値、溶接材料特性値の3つに分かれている。従って・システムは初め利用者に鋼材組成を入力するかどうか聞いてくる。入力しない場合は鋼材組成データベースを参照し、入力する場合はその入力
一94一

値を成分規格値と比較し、規格に合わない場合はどの成分が高すぎる、低すぎると表示する。利用者がシステムに無い鋼材について評価したい場合は・これらデータベースは参照されない。

溶接材料特性データベースは、低温割れ感受性に必要な水素量や溶接金属強度などが収められている。これらは図2や図5から△CENを求めるときに利用される。
システムに無い溶接材料を用いたときは、それらのデータを利用者が入力する。
3−7）

入出力例

実際の入出力例を示す。
① 入力
鋼材組成：
．149

CSi岡n．25

1．33．Ol9

溶接条件：板厚P．005．Ol2

SCuNiCrMoVNbB．Ol3．01

00．02

0N．004

O．003

20皿眺170Ax25Vx15cp皿

溶接材料：L60S

SR条件：TP＝18② 推定結果
△t8／5＝7．6、R540；28．46、最高硬さニ279．73、SR後硬さ＝236．9、vE（0℃）＝33．92、vE（一40℃）＝21．13、実施工予熱温度＝5℃4）

今後の展開

本システムは、以上のように継手特性推定のために推定式を主に用いている。
データベースのデータから直接データを表示するのは溶接金属の衝撃値だけである。しかし、この衝撃値も溶接条件などに強く依存するはずであるが、このシステムはこの点が考慮できない。データベース中のデータはある条件下での値であるが・利用者が同一条件のデータを要求してくると考えるのは間違いで・データベースをいかに充実させようとも利用者が要求するであろう全てのデータを網羅することは不可能であろう。これは、データベースを構築する上で大きな問題となる。

本システムでは、データベースはあくまで推定式の補助適役割を果たしているにすぎないが、上記のような問題が解決されれば継手推定においてもその重要度が増してくるものと思われる。この問題の解決策として著者が思い付くのが、利用者の要求に従って、データベースより引き出されたデータを加工する方法である。ここで、加工するという意味は、類似のデータから求めたいデータを推定するということで、その推定方法は必ずしも（14）式のように完全な式になっている必要はない。例えば、Mnが00増えれば引張強度が×X増加するという経験則は、これだけでは引張強度を推定できないが、Mnの成分だけが異なる類似データがデータベースにある場合、この経験則は非常に有効である。すなわち、継手特性推定に対して利用されてこなかった経験知識などが、データベースを利用すること一95一定に対して利用されてこなかった経験知識などが・データベースを利用することにより新たな利用価値を持つ。このことは、これまで未利用であった知識をシステムに取り入れることができることを意味する。このような知識が集まり充実してきたものが推定式になると考えれば、データベースは推定式になる前の知識が利用できるという利点があり、この意味で推定式の欠点をデータベースが補うということができる。以上のようなデータベース利用方法は、前述したエキスパー
トシステムに近い方法で・溶接部継手特性推定の分野ではまさしくこれからの発展を期待したい方法である。

次に、インターフェイスについて若干触れてみたい。インターフェイスは、主としてシステムを使いやすくするためにあると著者は考えており、推定精度に対してはあまり関係が無いと言うことからデータベースの利用と本質的には異なるかも知れない。WDS委員会の活動を通して作成したプロトタイプも、この点は殆ど手がつけられていない。しかし・このインターフェイスは無視できない問題である。むしろ、システムの利用頻度や評価はこの部分で決まるといっても過言ではない。このためシステムを構築するために、コンピュータープログラミングに関する知識を深めていく必要もあり、今後はソフトウエア技術者との関係を密にする必要も生じてこよう。

5）

おわりに溶接部継手特性推定という問題を例にとり、データベースの利用方法についてこれまで検討してきたが、データベースの役割はまだまだ補助的な領域から脱していないのが現状のようである。利用分野によっては、データベース化が不向きである可能性もあろうが、適用分野を選択しながらその応用は着実に発展していくものと考えている。

参考文献
1）

新日鐵㈱・日溶工㈱：胃eldingShow，

86．

2）

D．Rosenthal：胃eldingJournal，Vol。21（1941），p．220s3）

田中正三：溶接学会誌、Vol．13（1943）、p．849

4）

渡辺、佐藤：溶接力学とその応用、朝倉出版｛1965、p．183

5）

N．Yurioka，M．Oku皿ura，T．KasuyaandH．」．U．Cotton：MetalConstruction，Vol．19（1987），p．217R
6）

N。Yurioka：Int．

Conf．

on

EvaluationofMat．

Perfor駈anceラat1989．
7）

佐藤、榊原：溶接学会誌、Vol．40（1971）、p．649

8）

福田、神尾、喜田：溶接学会予行集、第42集（1988）、p9

一96一

Kobe

Japan

灘：システム本体

入出力

継手推定

データベース

データベース
作成ツール

図1

システム構成

0。20
0．15

0．10
ハ訳

0。05

ン
ピ00ぐ↑

『0・05一〇，10一〇．15一〇．20

151050→・溶着金属水素量、HHW（ml／100gr）

図2

水素量と△CENの関係

一97一0．10Mn

CE（I0．05IW）＝C十一十6Cu十N15i

十Cr十Mo＋V50訳）一〇，05
詣CE（HW）＝0．60

CE（llW）＝0．55

りCE（llW）一。，5。／ぐ
一〇．10↑CE（UW）＝0．45
CE（i一〇．15

一〇．20

10IW）＝0．40
CE（IIW）＝0．35
CE（l I W）＝0．30

2→

345

入熱量（kJ／mm）

入熱量と△C園の関係

図3250

HIIW＝5ml／100gr
入熱量＝1．7kJ／圃

Q 200

ハし

外気温度＝10℃

遡鱒

150

篠串暁
謎 100

↑

50

⊇≧75≦三7560

00．25040

30252015≦10mm10．40．3→
図40．5

CEN（％）

CENと鉄研テストの限界予熱温度

一98一0．65025ハ90）
運

一25

閏

巡遡輯
諏i

スリット溶接
補修溶接

＼一50

通常溶接

一75

恥

↑一100

一125
一150
200

400

300→500

600

700800溶接金属降伏強度（MPa）

強度と拘束度による予熱温度の修正

図5

表1記号の説明λ：熱伝導率［J／cm・sec℃］

κ：熱拡散係数［cm2／sec］

2

a：熱放散係数［／sec］

h：板厚［cm］

q：溶接入熱［J／sec］

v：溶接速度［cm／sec］

丁。：外気温度［℃］丁，：予熱温度［℃］

x，y，z：移動座標 ［c匿］

Tl温度

［℃］

t：時間

［sec］

一99一900