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アーク溶接継手性能の予測システム（鉄骨溶接部の継手性能の推定）
新日本製鐵（株〉接合研究センター

糟谷

1．緒言
溶接構造物全体の信頼性は、溶接継手の信頼性によってほぼ決定されるといっても過言ではない。そのため、溶接部の機械的特性を推定・評価する試みは、以前より行われてきた。

溶接協会溶接データシステム委員会（WDS委員会）では、この機械的特性を推定する手段として、どのような方法（推定式、アルゴリズム等）があるか、文献調査等を精力的に行ってきた。その成果の一部は平成3年に行われた講習会で公表されている。当時は、それらを決定する要因である鋼材かつ／または溶接金属の化学成分と溶接条件から決定される冷却速度や冷却時間を用いて、溶接部の硬さ、シャルピー値、vT

rsなどを推定する式、いわゆる推定式を作成するものが多い。その後、ニューラルネットワークの応用やモンテカルロ法などの数値解析も溶接部特性に推定によく用いられている。

一方、1995年の阪神大震災以降、建築鉄骨の、特に柱一梁溶接部の機械的特性が注目されるようになり、溶接協会に溶接部の性能評価法調査特別委員会が発足、実際の継手の機械的特性を評価する方法を検討してきた。この特別委員会より、継手特性を推定するに当たり、当WDS委員会に対して協力依頼があり、また著者自身も特別委員会のメンバーとして参加することとなったため、WDS委員会も特別委員会の活動を積極的にサポートすることとなった。

本セミナーテキストは、上記背景のもとに行われた、建築鉄骨の柱一梁溶接部の継手特性を推定する手法を検討した結果を概説したものである。

2．柱一梁溶接部の溶接熱伝導から見た特徴
ここでは、柱一梁溶接部の特徴を溶接熱伝導の観点から考察してみたい。ここでの考察は、必ずしも後に述べる継手の機械的特性評価方法に用いるわけではないが、この柱一梁溶接部の継手特性がなぜ問題になるかが理解できるようになる．

柱一梁溶接部の熱伝導は、溶接ピードが短い、（場合によっては）連続往復的に溶接施工される、という特徴により、他の溶接施工条件とは異なったものになる。これら特徴のために、予熱がされなくてもパス間温度が非常に高くなり、場合によっては500℃を越えることもあり得る。このパス問温度は、溶接入熱量のみならず、溶接ビード長さにも依存する。

そこで、連続往復溶接の熱伝導モデルを従来解析解を用いて作成し、その特徴を調べることとする（詳しくは文献1参照）。
105

正．蜜諦醸蕪、連続往復溶接をモデル化するために、図1のように、移動点熱源を周期的に配置し、図の左側に配置された熱源は右側へ、右側に配置された熱源は左側へ、いっせいに移動する場合を考える。1つの移動熱源に対しては、有限板厚の大板（板の長さ、幅は○○）における解析解を用いることとする。このとき、図中hnelとhne2の間の領域のみに着目すると、1つの点熱源がまるで往復運動をしているようにすることができる。各熱源の位置を調整すれば、その往復運動を連続的にすることも、ある待ち時間の後次の熱源が入ってくるようにすることもできる。さらに、待ち時間を調整すれば、ある点でも温度が一定の値になったときに、1ine1、2の領域に次の熱源が入ってくるようにすることも可能である。熱源を連続的に往復させれば連続往復溶接に、ある点での温度が一定値以下になるように待ち時間を調整すればパス間温度を管理した溶接に対応する。

このようなモデルで実際の柱一梁溶接部の熱履歴を再現することができる。図2は、ビード長さが250mmで、入熱量が2．5kJ／mm、板厚が25mmの条件で突き合わせ溶接したときの熱履歴の実測値と計算値を比較したものである。溶接は連続往復的に、すなわ
ちパス間温度を管理せず行った。熱履歴の測定および計算は、最終ビードの融合線で行った。

図2では、特に最終溶接ビードの熱履歴に注目すべきである．最終溶接ビードが始まる前、溶接部の温度は600℃程度までしか下がっておらず、この場合パス問温度は600℃ということになる。この値は通常よりはるかに高い。従って、このような高パス間温度が継手特性に影響を与えるのではないかという懸念が生じてくる。

図2より、図1に示す熱伝導モデルで実際の溶接部の熱履歴の推定が可能であることがわかった。そこで、このモデルを用いて柱一梁溶接部の溶接条件がどの程度の入熱量に対応するか計算してみたい。ここで、この計算された入熱量を換算入熱量と呼ぶこととする。換算入熱量とは、同じ板厚（しかし大板）で、予熱なしで1パス溶接をしたとき、その熱履歴が柱一梁溶接部の熱履歴と同等になるものをいう。しかし、熱履歴が全く 一致することはあり得ないため、熱履歴パラメーターを定め、それが一致するように換算入熱量を決定することとした。ここでは、熱履歴パラメーターを2つ選択した。！つは、800℃から500℃までの冷却時間（△∫8〆5）である・これはよく用いられるパラメーターである・もう1つのパラメーターは・AshbyとEarsterling2）が導入したkinetic

strengthofthe

heatcycle（1κ∫）というパラメーターである。これは、旧γ粒の大きさを評価するのに都合がよい。∫κ∫は、・∬一仲P（一暑）4∫（1）で表される。gはオーステナイト粒成長の活性化エネルギー、Tは絶対温度、Rは気体定数である。換算入熱量とは、柱一梁溶接部の熱履歴が与える△∫8／5や1∬と同じ△∫8／5や∫κ∫を与える1パス溶接の入熱量のことである。なお、熱履歴パラメーターを△r8／5にするか∫κ∫にするかによって換算入熱量が異なってくるので、それらをそれぞれg，，（△∫、，，）、g。，（∫∬）と記述する。

それでは、これら換算入熱量が最高パス間温度によってどのように変化していくのかを見てみよう。熱履歴を計算したところは、柱一梁溶接部の最終ビード融合線で、かつビード長さ中央とした。また、この計算では、ビード長さ中央の板表面をパス間温度を管理する点と

工06

ll欝顧勲営鷺繊搬灘灘
し、パス問温度がある値以下になるよう管理された施工条件も計算した。板厚は25mmで、溶接ビード長さは250mmである。入熱量は2．5、3．5、4．5k

J／mmで往復溶接がされた場合を計算した。

図3は、計算結果である．図3一（a）、熱量が2．5、3．5、4．5k（b）、（c）は、それぞれ柱一梁溶接部の入J／mmである場合に対応する。横軸は最高パス問温度で、縦軸は換算入熱量g。，（△∫、、，）およびg。，（／∬）である。図3より、パス間温度の影響が大きいことが理解できる。例えば、2．5k￠，（△∫別，）は10kJ／mmで最高パス問温度が500℃を越えるとJ／mmにもなる・すなわち・10kととなる。￠，（1κ∫）は、もう少し低く、6kJ／mmの大入熱溶接を行ったこJ／mm程度であるが、本来の入熱量2．5kJ／mmよりはるかに高いことには変わりはない。しかも、最高パス間温度が500℃を越えるという条件は、充分あり得る条件である。

パス問温度が、これだけ熱履歴に影響を与えている、ということは、著者の知る限り、あまり認識されてこなかったように思われる。逆に、柱一梁溶接部の継手特性が確保できているのだろうかと、ふと疑問に思うのは著者だけであろうか。さらに、実構造物の柱一梁溶接継手の特性を調べることができないものか、と思うのはごく普通のことであろう．

以上、柱一梁溶接部の熱伝導の特徴を簡単に説明した．そして、継手特性確保という観点からは、非常に厳しい条件で施工が行われているということが明らかになってきた。溶接協会に溶接部の性能評価法調査特別委員会が発足したのもこのような背景もあったのであろう。では、次に、溶接部の性能評価法調査特別委員会で行った柱一梁溶接部の継手特性推定について説明していきたい。

3．事前検討3．1前提条件
初めに、委員会が推定方法を検討したときの前提条件を簡単に述べたい。
まず、推定方法は実際の構造物に対して適用できるものであることが望ましい。そのため、継手そのものから、例えばシャルピー試験片を採取するということは不可能である。しかし、調査したい継手の情報が全くなくては継手評価は不可能であるため、実構造物の信頼性に影響を与えない程度に法を、手を加える

セミ非破壊検査方法

次に、上記セミ非破壊的ことを前提とした。この前提ゆえ、この継手特性推定方と呼んでいる。に継手より得られる情報とは何であるかということであるが、これに対しては、鋼材倶楽部の検討報告書3）があるので、その報告で認められた情報のみ得られるとした。従って、問題は、セミ非破壊的に得られる情報だけで本来知りたい継手の強度やシャルピー値が評価できるか、ということである．しかも、従来知見と整合性を保持したまま、継手から得られる情報、具体的には、硬さ、化学成分、ミクロ組織（写真）と継手特性の関係を求めることが望ましい。

以上のような背景から、継手推定方法のあるべき姿を議論するために、文献調査を実施し

107

・鐵3翫醗難
た．文献調査は、強度および靱性に対して行い、それぞれの機械的特性を決定している要因は何かを考察した。

3．2文献調査結果
まず強度についてであるが、セミ非破壊的に得られる情報である、硬さ、成分、ミクロ組織と強度を結びつける式を提案しているものとして、Svensson4）、Bomgers51、Sllehiro

ら6切文献がある。いずれも硬さから強度を推定する式で、成分やミクロ組織は入ってこない。Svenssonの式のみ、硬さに加え△r8／5（800℃から500℃までの冷却時問）が入ってくるが・実際△8／5＝7秒・14秒でSvennsonの式を計算しても・この差は数％程度にしかならない。従って、これら3式は、強度は硬さで一義的に決まるものとしていると考えて差し支えなかろう。そこで、当面、強度に対しては硬さのみで推定できると仮定することとした。

次に靱性であるが、これについては多くの報告があり、その推定方法、あるいは支配要員は研究者によりまちまちのようである。代表的な例を挙げると、
レTs昌645C＋115Si＋106〃n＋66ハ々＋108C7＋162ルfo＋3700」θ一2910ノ〉一2444
Bレ」EO＝一106Cεg（βvEO）＋1』15R＋34ユ

C89（BvEO）＝C＋S

（2）
（3）

／53＋10〃n／85＋荊／36−C7／210＋ノレ活o／17−2V／3＋10／11／43＋5。1」BE4TT冨1．4α＋15UTS−187（4）（2）式は川口らT）・（3）式は佐藤ら8）、（4）式は森ら9）の式である．その他、Bourgersら

5＞が化学成分と強度を用い、Bhadeshiaらmlが化学成分とミクロ組織を用いた推定方法を提案している．これら推定方法を見比べると、靱性の支配要因として、冷却時間（または速度）、化学成分、強度、ミクロ組織などが候補として考えれれる。さて、文献
3によると、化学成分、ミクロ組織は、セミ非破壊的に採取可能である。強度は、先ほどの文献調査結果によると硬さで代用することができそうである。一方、冷却時間は実継手が与えられても採取不可能なデータである。それでは、実継手の靱性推定は不可能なのであろうか。これまでの推定式を比較すると、先ほどの要因である、冷却時間、化学成分、強度、ミクロ組織全てを1つの式の中で用いているものはなかった。

これら4要因のうち2つまたは3つを選択している（佐藤らはボンド部、HAZ部それぞれに（3〉式のような推定式を作成している。これは、異なるミクロ組織に異なる推定式を与えていることになるので、間接的にミクロ組織も入力パラメーターとしていることになる。）。これは、4要因は必ずしも独立したパラメーターではないことを示唆するものである。実際、HAZ硬さ推定式などは、化学成分と冷却時間で硬さが推定できるとしているが、これは逆に、化学成分と硬さが与えられると冷却時間が求まることを意味する。このように考えると冷却時間は、硬さと化学成分で代用できそうである。そこで、当面、靱性は、硬さ、化学成分、ミクロ組織をその決定要因として選択しておけば充分であると仮定することとした。

！o8ll磁幾ど諏激繍羅庶繋擾瀞i灘擾檬続、

以上の文献調査から、強度は硬さ、靱性は硬さ、化学成分、ミクロ組織をパラメーターにして推定方法を検討すればよいことがわかった。これらパラメーターは幸いにして実継手からセミ非破壊的に検出できるものである。次に、これらパラメーターが与えられたとき、強度、靱性をどの様に推定すべきなのか、を検討した結果を述べる。

4．強度および0。Cシャルピー吸収エネルギーの推定
4．1継手の冶金データの採取
溶接部の性能評価法調査特別委員会では、前記文献調査結果から、実継手よりセミ非破壊的に、硬さ、化学成分、ミクロ組織（冶金データ）を採取し、これらデータから強度および0℃シャルピー吸収エネルギー（機械的特性）が推定できるであろうと考えた。しかし、冶
金データから機械的特性を求めるには、それらの相関を調査する必要がある。そこで、委員会では、日本溶接協会溶接棒部会および信州大学中込教授が行った継手試験データおよびマクロ試験片を入手し、マクロ試験片より冶金データを採取し、継手データとの関係を調べた。
これらの継手は、建設省建築研究所との共同研究の活動の一部として行われたものである。

これら継手データに加え、新日鐵が作製した溶接継手およびデータも加えた．特に新日鐵のデータは、シャルピー試験片をビード長さ中央部および端部より採取し、採取位置の影響を調査できるようにしている。

図4、図5は、継手試験体の寸法およびマクロ試験片から硬さ、ミクロ組織データを採取した位置を示した図である。実際の継手からは、文献3が提案している方法で冶金データを採取しなければならないが、委員会では（費用や時間の節約のため）、硬さやミクロ組織は、マクロ試験片より通常の方法により採取し、化学成分については、機械試験を行う際、分析試料も採取して調査した値を用いることとした。注意すべきは、硬さとミクロ組織は最終ビードの表層部のデータであることである．それ以外のところでは、再熱、非再熱などの問題がありデータがばらつくと考えたからである。また、溶接は、パス間温度が150℃以下から連続往復溶接まで条件を振り分けた。

図6、7は同じ溶接材料で最高パス間温度が！50℃の場合と連続往復した場合のミクロ組織例であるが、大きな違いがあることは明らかであろう。このようなミクロ組織の違いが推定式に反映できるようにするには、ミクロ組織分率を決定する必要がある。ミクロ組織分率はI

secondIW法IDに従った。ミクロ組織を、prlmary

phase，fernte

carbideferrite，acicularferrne，ferri

tewithaggregateの4種に分類したが、重要なものはacicularferrite（。4F）であった．

継手の強度および0℃シャルピー吸収エネルギーは溶接金属のそれである。具体的な強度、エネルギー、硬さ、ミクロ組織分率等は文献12に載せてあるのでそちらを参照されたい。

4．2強度推定
既に述べたように、文献調査結果では強度は硬さでほぼ決まると考えられる。そこで、溶接金属の強度と最終ビード表面硬さの相関を回帰分析で調べた結果、以下の式を得た。

109

蝦髄sセ羅UT∫＝2．06Hり＋177（7＝O，95）

ここに、UTS［N／mm2］は溶接金属強度、硬さである。7は相関係数である。

（5）

fv（ビッカース硬さ）は最終ビード表面の（5）式の値と実測データの関係を図8に示した。図8で、白丸（O）は施工条件を連続往復的に、すなわちパス問温度を管理せずに行った場合を、黒丸（●）はパス間温度を450℃以下に管理した場合を示す。図8より、（5）式で充分継手の溶接金属強度が推定できるものと考えられる。なお、図8では、白丸と黒丸は混在しており、それらの判別は必ずしも明確ではない。

4．30。Cシャルピー吸収エネルギー
靱性を決定する要因は、文献調査結果からすると、ミクロ組織、硬さ、化学成分であった。

そこで、委員会では、。4、Fのみ、。4FとHv、オFとHvと化学成分、の3種類の回帰分析を実施し、以下の3式を得た。

乃＝7餌＋107オF（7＝0・71）

丑＝一106＋57．9／｛F＋0．855Hv（7＝0．82）

a＝一191＋44。0オF＋α934〃v＋90．2C＋169S（7）（〆＝0・86）

入力パラメーターが多いaの方が相関係数は大きい。また、aで、M（6）（8）

nを含んだ形で回帰分析してもその係数が小さかったため、ここではcとSiのみを用いている。図9、lo、11に、これら3式の値と溶接金属の0℃シャルピー吸収エネルギー（レEo）の実測値の関係を示した。図中の白丸、黒丸の意味は図8と同じである。いずれの図でも、強度ほど推定精度はよくない。

一般に、シャルピー吸収エネルギーは強度より実験データそのもののばらつきが大きいことを考慮すると、推定精度が劣るのはしかたがないものと考えられる。しかし、この点を考慮しながら本推定法方を用いればその利用価値は充分あるものと考えられる。

4．4溶接施工条件判別

強度推定（図8）とりEo推定（図9、10、11）を比較すると、図9、10、11では、白丸と黒丸が左右に分かれる傾向があることがわかる。白丸と黒丸の違いは、パス間温度を管理したかどうか（450℃以下にしたかどうか）の違いであり、これは溶接施工条件の違いともいえる。例えば、図9では君の値が50以下の場合、黒丸は存在しない。すなわち、全てパス間温度を管理しない継手である。このため、君の値によりその継手がどのような施工条件で作製されたか、ある程度の判別ができるものと期待される。君〉50の範囲で白丸が存在するが、溶接材料によっては、連続往復条件でも。4Fが得られるものがあるためであろう。このような判別は強度を考察した図8からはできず、ミクロ組織が施工条件の判別に有効であることがわかる。

4．5データ採取位置の影響
冶金データをビード長さ中央とビード端部から採取したとき、その影響はどうなるのであろうか。これについても委員会で検討しており、結論からいうと、端部で採取した冶金データを且0ll難ヨ無一瑚灘撒
用いれば端部におけるvEoが推定でき・長さ中央でのデータを用いればそこでのレEoが推定できる。推定式は、既に述べた式を用いればよい。すなわち、ここで説明した推定方法は、端部、中央部どちらにも適用できるものである。

なお、ビード長さ中央部および端部の0℃シャルピー吸収エネルギーを比較したが、あまり差がなかった。一般に、端部は折り返し溶接されるため、そこでの入熱量は中央部と比べ2倍になっていると考えてしかるべきである。しかし、今回の調査では、中央部、端部の違いはあまりなかった。この理由として、パス間温度の違いが考えられる。すなわち、端部では2つのパスが1つの溶融プールを形成しているため、これを1つの溶接と考えると溶接と溶接の間の時間が中央部の2倍となっており、その分パス間温度も低くなっているためである。これは、折り返し溶接（実際は2パスの溶接）を1つの溶接と見なすという考えである。しかし、溶接ビードが充分長く、パス間温度が高くならない場合は、端部の方が厳しい条件になるのかもしれない。今回の結果は、ビード長さが200〜300mmと比較的短いという特徴からくるものかもしれない。

5．まとめ
本セミナーテキストでは、WDS委員会が協力することとなった溶接部の性能評価法調査特別委員会の活動の一部である、柱一梁溶接部の継手特性評価方法について説明してきた。これまでの継手特性推定方法は、材料と溶接条件が与えられたとき継手特性がどうなるか、という観点から考察されているものが多いため、ここで説明した評価方法はこれまでの方法と趣が異なる．また、冶金データを最終ビード表面のみから採取するとしているため、最終溶接の場合のみパス間温度を管理したらどうなるのか、など、検討項目が残されていることも事実である。しかし、これら問題も今後解決されていくことであろう。

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考えている領域

12

千ナ

十A

C

B

●3移動点熱源

図1

一→レレ3点熱源移動方向

連続往復溶接用熱伝導モデル

1600ハ｝Experiments

1400o￡1200

2．5kJ／m皿

Calculations

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日昌

600

400
20000200400600800

丁血e（s）

図2

板厚25mm、溶接ビード長さ250mmでの連続溶接時の熱履歴⊥12metals」，

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12‑ IKS definition

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4.5kJ/mm

＿＿＿皿』虹」」二＿硬さ測定、ミクロ組織測定位置

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30●

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図5

硬さ、ミクロ組織データ採取位置

22＾・25皿m

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試験体寸法

図4

図6

パス間温度150℃施工時のミクロ組織例！1425μm

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25μm

連続往復施工時のミクロ組織例

図9

溶接金属強度の推定値と実測値の関係

115

君とvEoの関係

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