JP2003251489A - 低合金鉄鋼材料の溶接継手及びその溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】通常の溶接後に溶接止端部をグラインダやロー
タリーカッタ等の研削工具で滑らかに研削して止端半径
を大きくするといったような止端処理や急冷処理、ある
いは複雑な溶接を施さなくても、溶接継手の疲労強度を
向上できる低合金鉄鋼材料の溶接継手及びその溶接方法
を提供する。 【解決手段】溶接材料を用いて低合金鉄鋼材料１，２同
士を溶接により固着して形成した低合金鉄鋼材料の溶接
継手の溶接方法であって、溶接により形成された溶接止
端部３に付加溶接４を施し、この付加溶接４によって生
成される溶接止端部５の溶接金属のマルテンサイト変態
開始温度が１２０℃以上４００℃以下であり、かつ溶接
止端部５において所定式で表される応力集中係数Kt値が
１．３以上２．８以下となるように付加溶接４を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、船舶、橋梁、貯
槽、建設機械等の大型構造物に用いて好適な低合金鉄鋼
材料の溶接継手及びその溶接方法、特に、溶接材料を用
いて溶接を行う際に溶接継手の疲労強度を向上できる、
低合金鉄鋼材料の溶接継手及びその溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】船舶、海洋構造物、ペンストック、橋梁
等においては、大型化とそれに伴う軽量化の目的から使
用鋼材の高強度化が求められている。鋼材が高強度化す
ることによって板厚を薄くすることができ、構造物を軽
量化することができる。これら構造物に使用される材料
としては、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ等の各種合金元素が３．０
％未満の低合金鉄鋼材料が用いられ、これら材料の引張
強度レベルは３００〜９８０ＭＰａである。

【０００３】そして、前記高強度化への要望に対応し
て、低合金鉄鋼材料の中で高強度のものを用いる場合に
は、高強度鋼の疲労強度は、母材については当該母材の
材料強度の増加とともに上昇するが、溶接継手では材料
強度が増加しても疲労強度が向上しないといわれている
（溶接学会全国大会講演概要、Ｎｏ．５２、１９９３、
ＰＰ．２５６−２５７参照）。

【０００４】このため、従来、高強度鋼材の溶接継手の
疲労強度は低強度鋼のそれと同じであるため、隅肉溶接
等により接合した継手を採用する構造物では、高強度鋼
材を用いても設計強度を上げることができないという問
題があった。この高強度鋼材の溶接継手において疲労強
度が向上しない原因としては、溶接止端部における応力
集中と引張残留応力の存在が挙げられる。

【０００５】溶接止端部における応力集中については溶
接施工方法の改善や、例えば、特開平５−６９１２８号
公報に記載されているように、溶接止端部をグラインダ
やロータリーカッタ等の研削工具で滑らかに研削して止
端半径を大きくすることによって防止できる。継手の溶
接止端部に生じる引張残留応力は、溶接後の溶接止端部
の溶接金属が冷却される際に熱収縮することにすること
に起因する。図３に、従来の溶接材料を用いて低合金鉄
鋼材料を溶接した際の溶接後の溶接止端部の溶接金属の
収縮状態を、破線で示す。溶接金属は、溶接後に図３の
「冷却」と付記した矢印の方向に熱収縮する。

【０００６】ここで、低合金鋼からなる従来の溶接材料
を用いた場合、溶接止端部の溶接金属は、温度低下する
に従い熱収縮して伸び（長さ）が小さくなるが、５００
℃付近から伸び（長さ）が大きくなる領域が存在する。
これは、５００℃付近にてマルテンサイト変態が生じ、
このマルテンサイト変態にともなう溶接止端部の溶接金
属の膨張が発生するためである。マルテンサイト変態が
終了すると、再び熱収縮のみが起こり温度が下がるにつ
れて伸びが小さくなる。溶接金属が凝固点から約６００
℃程度まで冷却される際には、溶接止端部の溶接金属の
降伏応力が低いので、塑性変形を伴いながら冷却され、
そのため、収縮により生ずる引張残留応力は、この塑性
変形により緩和される。そして、約６００℃以下で収縮
すると、溶接止端部の溶接金属の降伏応力が大きいため
に、塑性変形が起こりにくく引張残留応力が導入される
こととなる。

【０００７】図３（破線）では、約５００℃から約４０
０℃までの冷却過程において、溶接止端部の溶接金属が
マルテンサイト変態により膨張するので、この間では引
張残留応力が緩和されるが、その後室温までの熱収縮過
程において引張残留応力が導入されることとなる。以上
が溶接止端部の溶接金属に引張残留応力が生じる主な理
由であるが、例えば隅肉溶接のように接合される２つの
被溶接材の大きさが異なる場合、被溶接材の熱容量の差
に起因して引張残留応力はさらに助長される。

【０００８】このような溶接金属に生じた引張残留応力
を緩和する方法として、例えば、特開平１１−１３８２
９０号公報に記載されているように、溶接により生成す
る溶接金属を、溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態
を起こさせ、室温においてマルテンサイト変態の開始時
よりも膨張している状態とすることにより圧縮応力を付
与する方法が提案されている。

【０００９】また、特開２０００−２８８７２８号公報
に記載されているように、疲労が問題となる溶接止端部
の溶接金属のマルテンサイト変態開始温度と降伏強度を
制御することにより溶接継手の疲労強度を向上させてい
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
１１−１３８２９０号公報及び特開２０００−２８８７
２８号公報に記載されているような溶接部（溶接継手）
の疲労強度の向上方法では、溶接金属が高合金となるた
め、止端部の形状が悪く、応力集中係数Kt値が高くなっ
ていた。このため、溶接継手の疲労強度の向上度合いは
まだ不十分であり、さらに疲労強度を向上させるために
は非常に複雑な溶接を施さなければならず、実施工に適
していなかった。また、７８０ＭＰａ級の高強度鋼にお
いては、前記の溶接材料による疲労強度向上効果が確認
されたが、４００〜４９０ＭＰａ級の鋼材においては、
高強度鋼ほどの疲労強度向上効果があるか不明であっ
た。

【００１１】本発明は、このような問題点に着目してな
されたものであり、その目的は、通常の溶接後に溶接止
端部をグラインダやロータリーカッタ等の研削工具で滑
らかに研削して止端半径を大きくするといったような止
端処理や急冷処理、あるいは複雑な溶接を施さなくて
も、溶接継手の疲労強度を向上できる低合金鉄鋼材料の
溶接継手及びその溶接方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】一般的に、溶接により生
成した溶接止端部の溶接金属は、マルテンサイト変態が
生じると、マルテンサイト変態開始温度からある程度温
度が降下するまでの間に一端膨張する。本発明者らは、
溶接止端部の溶接金属のマルテンサイト変態開始温度を
１２０℃以上４００℃以下とすることにより、溶接止端
部の溶接金属のマルテンサイト変態による膨張量を大き
くすることができ、且つ、室温付近において当該膨張量
が大きな状態となって溶接金属の冷却過程終了時には溶
接止端部の溶接金属がマルテンサイト変態開始時よりも
膨張している状態となり、当該膨張により圧縮残留応力
が導入されて溶接止端部の溶接金属の冷却過程で生じる
引張残留応力が低減し、これによって溶接後の溶接継手
の疲労強度が向上するとの知見を得た。

【００１３】また、本発明者らは、溶接止端部において
応力集中係数Kt値を１．３以上２．８以下とすることに
より、圧縮残留応力の導入によって得た疲労強度向上効
果をさらに高めることができるとの知見も得た。また、
本発明者らは、前記知見に加えて、溶接材料を用いて低
合金鉄鋼材料同士を溶接により固着して形成した溶接継
手において、疲労破断の起点となりうる溶接止端部に付
加溶接を施せば、疲労が問題となる溶接止端部の疲労強
度がさらに向上するとの知見も得た。

【００１４】従って、本発明は上述した知見に基づきさ
らに検討を加えて完成したものであって、請求項１に係
る低合金鉄鋼材料の溶接継手の溶接方法は、溶接材料を
用いて低合金鉄鋼材料同士を溶接により固着して形成し
た低合金鉄鋼材料の溶接継手の溶接方法であって、 前
記溶接により形成された溶接止端部に付加溶接を施し、
該付加溶接によって生成される前記溶接止端部の溶接金
属のマルテンサイト変態開始温度が１２０℃以上４００
℃以下であり、かつ前記溶接止端部において下記（１）
式で表される応力集中係数Kt値が１．３以上２．８以下
となるように前記付加溶接を行うことを特徴としてい
る。

【００１５】 Kt=1+ ｛1.348+0.397 ・ln(S/t₁)｝・Q^0.467・f(θ） ……（１） 但し、 f(θ) = ｛1-exp(-0.9・β・θ) ｝/ ｛1-exp(-0.9・β
・π/2) ｝, Q=1/｛2.8(W/t₁)-2 ｝・(l₂/ρ), W=t₁+2l₂, S=t₂+2l₁, β= ｛W/(2l₂) ｝^1/2, t₁: 主板厚, t₂: リブ板厚, l₁: 主板側脚長, l₂: リブ
板側脚長,ρ: 止端半径, θ( ラジアン):余盛角度とす
る。

【００１６】また、本発明のうち請求項２に係る低合金
鉄鋼材料の溶接継手の溶接方法は、請求項１記載の発明
において、前記溶接止端部の溶接金属におけるＣ，Ｃ
ｒ，Ｎｉ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｍｏ及びＮｂの含有量が下記
（２）式を満たすことを特徴としている。 １２０≦７１９−７９５×Ｃ（質量％）−２３．７×Ｃｒ（質量％）−２６． ５×Ｎｉ（質量％）−３５．５５×Ｓｉ（質量％）−１３．２５×Ｍｎ（質量％ ）−２３．７×Ｍｏ（質量％）−１１．８５×Ｎｂ（質量％）≦４００ ……（２） さらに、本発明のうち請求項３に係る低合金鉄鋼材料の
溶接継手の溶接方法は、請求項１又は２記載の発明にお
いて、前記溶接止端部の溶接金属において、Ｃを０．２
０質量％以下、Ｃｒを６．０〜１６．０質量％、Ｎｉを
３．０〜１２．０質量％含有することを特徴としてい
る。

【００１７】また、本発明のうち請求項４に係る低合金
鉄鋼材料の溶接継手の溶接方法は、請求項１乃至３のう
ちいずれか一項に記載の発明において、前記溶接止端部
の溶接金属において、Ｓｉを０．２０〜１．０質量％、
Ｍｎを０．４〜２．５質量％、Ｍｏを４．０質量％以
下、Ｎｂを１．０質量％以下含有することを特徴として
いる。

【００１８】また、本発明のうち請求項４に係る低合金
鉄鋼材料の溶接継手の溶接方法は、請求項１乃至４のう
ちいずれか一項に記載の発明において、前記溶接継手
が、角回し溶接継手であることを特徴としている。一
方、本発明のうち請求項６に係る低合金鉄鋼材料の溶接
継手は、溶接材料を用いて低合金鉄鋼材料同士を溶接に
より固着して形成した低合金鉄鋼材料の溶接継手であっ
て、 前記溶接により形成された溶接止端部に付加溶接
を施し、該付加溶接によって生成される前記溶接止端部
の溶接金属のマルテンサイト変態開始温度が１２０℃以
上４００℃以下であり、かつ前記溶接止端部において前
記（１）式で表される応力集中係数Kt値が１．３以上
２．８以下であることを特徴としている。

【００１９】本発明のうち請求項７に係る低合金鉄鋼材
料の溶接継手は、請求項６記載の発明において、前記溶
接止端部の溶接金属におけるＣ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｓｉ，Ｍ
ｎ，Ｍｏ及びＮｂの含有量が前記（２）式を満たすこと
を特徴としている。また、本発明のうち請求項８に係る
低合金鉄鋼材料の溶接継手は、請求項６又は７記載の発
明において、前記溶接止端部の溶接金属において、Ｃを
０．２０質量％以下、Ｃｒを６．０〜１６．０質量％、
Ｎｉを３．０〜１２．０質量％含有することを特徴とし
ている。

【００２０】さらに、本発明のうち請求項９に係る低合
金鉄鋼材料の溶接継手は、請求項６乃至８のうちいずれ
か一項に記載の発明において、前記溶接止端部の溶接金
属において、Ｓｉを０．２０〜１．０質量％、Ｍｎを
０．４〜２．５質量％、Ｍｏを４．０質量％以下、Ｎｂ
を１．０質量％以下含有することを特徴としている。加
えて、本発明のうち請求項１０に係る低合金鉄鋼材料の
溶接継手は、請求項６乃至９のうちいずれか一項に記載
の発明において、前記溶接継手が、角回し溶接継手であ
ることを特徴としている。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る低合金鉄鋼材
料の溶接継手及びその溶接方法の実施形態を図面を参照
しつつ説明する。本実施形態の低合金鉄鋼材料の溶接継
手は、図１に示すように、低合金鉄鋼材料からなる厚鋼
板の主板１に、低合金鉄鋼材料からなる厚鋼板のリブ板
２を、溶接材料を用いて角回し溶接にて固着し、さら
に、この溶接にて形成された溶接止端部３に付加溶接４
を施して形成される。

【００２２】ここで、主板１及びリブ板２としては、構
造物用の引張強さが４００〜９８０ＭＰａ級の低合金鉄
鋼材料が用いられる。また、被溶接材としては、厚鋼板
の他、鋼管やボックス柱であってもよい。また、溶接材
料としては、被溶接材である主板１及びリブ板２に適合
した溶接条件で、後述する組成の溶接止端部の溶接金属
を形成できる組成を有するものであれば、通常公知の溶
接材料のいずれもが適用可能である。後述する組成の溶
接止端部の溶接金属が形成できるように、溶接条件によ
り被溶接材からの希釈などを考慮して適宜選択すればよ
い。

【００２３】また、前記溶接に際しては、角回し溶接の
みならず、他の隅肉溶接、円周溶接であってもよい。ま
た、前記溶接や付加溶接４においては、被覆アーク溶接
として実施するが、フラックスを使用するミグ溶接、あ
るいはサブマージアーク溶接などであってもよい。そし
て、付加溶接４の施工においては、付加溶接４によって
生成される溶接止端部５の溶接金属のマルテンサイト変
態開始温度が１２０℃以上４００℃以下であり、かつ溶
接止端部５において下記（１）式で表される応力集中係
数Kt値が１．３以上２．８以下となるように行う。

【００２４】 Kt=1+ ｛1.348+0.397 ・ln(S/t₁)｝・Q^0.467・f(θ） ……（１） 但し、 f(θ) = ｛1-exp(-0.9・β・θ) ｝/ ｛1-exp(-0.9・β
・π/2) ｝, Q=1/｛2.8(W/t₁)-2 ｝・(l₂/ρ), W=t₁+2l₂, S=t₂+2l₁, β= ｛W/(2l₂) ｝^1/2, なお、（１）式において、t₁は主板厚、 t₂ はリブ板
厚、 l₁ は主板側脚長、l₂ はリブ板側脚長、ρは止端
半径、θ( ラジアン）は余盛角度である。これらパラメ
ータは、図２に詳細に示されており、t₁は主板１の板
厚、 t₂ はリブ板２の板厚、 l₁ は溶接金属が主板１と
接する長さである主板側脚長、 l₂ は溶接金属がリブ板
２と接する長さであるリブ板側脚長、ρは溶接止端部５
の半径である止端半径、θは溶接止端部５における主板
１の表面と溶接金属の表面に接する接線との角度である
余盛角度を示している。

【００２５】一般に、鉄鋼材料のマルテンサイト変態開
始温度（Ｍｓ点）は、化学組成の影響を受けることが知
られている。村田らは、溶接学会論文集、第９巻（１９
９１）第１号「応力緩和におよぼす合金元素および変態
温度の影響」において、Ｍｓ点と各種合金元素の含有量
との関係について、 Ｍｓ（℃）＝７１９−２６．５×Ｎｉｅｑ−２３．７×
Ｃｒｅｑ Ｎｉｅｑ＝３０×Ｃ（質量％）＋０．５×Ｍｎ（質量
％） Ｃｒｅｑ＝Ｃｒ（質量％）＋Ｍｏ（質量％）＋１．５×
Ｓｉ（質量％）＋０．５×Ｎｂ（質量％）なる式を得て
いる。

【００２６】上式の関係を用いて、溶接止端部５の溶接
金属におけるＣ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｍｏ及びＮ
ｂの含有量を前記（２）式を満たすようにした。 １２０≦７１９−７９５×Ｃ（質量％）−２３．７×Ｃｒ（質量％）−２６． ５×Ｎｉ（質量％）−３５．５５×Ｓｉ（質量％）−１３．２５×Ｍｎ（質量％ ）−２３．７×Ｍｏ（質量％）−１１．８５×Ｎｂ（質量％）≦４００ ……（２） 以上のように、マルテンサイト変態開始温度を４００℃
以下としたのは、マルテンサイト変態開始温度が高くな
るほど当該変態による膨張量が小さく、且つ、変態膨張
の最大点が室温よりも高い温度となるため、その後の室
温までの冷却過程で再度熱収縮が生じ、これにより変態
膨張の効果を十分に得ることができないからである。

【００２７】また、マルテンサイト変態開始温度を１２
０℃以上としたのは、マルテンサイト変態開始温度が１
２０℃未満ではマルテンサイト変態が開始しても冷却過
程終了までの変態膨張量が小さく、前記変態膨張の効果
を十分に得ることができないからである。図３に、本実
施形態に係る溶接止端部の溶接金属の変態特性を実線で
示し、この変態特性を、破線で示した従来の溶接方法に
よって形成された溶接止端部の溶接金属の変態特性と比
較して示す。

【００２８】本実施形態においては、図３に示すよう
に、溶接止端部５の溶接金属のマルテンサイト変態開始
温度（Ｍｓ点）が１２０℃以上４００℃以下の範囲にあ
るので、溶接金属のマルテンサイト変態による膨張量を
大きくすることができ、且つ、膨張量の大きな状態が室
温付近となって、溶接止端部の溶接金属の冷却過程終了
時には、当該金属がマルテンサイト変態開始時よりも膨
張している状態となる。このため、当該膨張により圧縮
残留応力が導入されて、溶接止端部の溶接金属の冷却過
程で生じる引張残留応力が低減し、これによって溶接後
の溶接継手の疲労強度が向上する。

【００２９】また、本実施形態においては、溶接止端部
５における応力集中係数Kt値が１．３以上２．８以下で
あるため、圧縮残留応力の導入によって得た疲労強度向
上効果をさらに高めることができる。即ち、応力集中係
数Kt値が２．８を越えると、圧縮残留応力導入による疲
労強度向上効果が極端に小さくなり、一方、応力集中係
数Kt値が１．３未満となると、溶接による肉盛が少なく
なり、溶接止端部５の溶接金属の変態による圧縮残留応
力の導入が不十分となるため、疲労強度向上の効果が得
られにくくなる。

【００３０】また、本実施形態においては、溶接止端部
５の溶接金属において、Ｃを０．２０質量％以下、Ｃｒ
を６．０〜１６．０質量％、Ｎｉを３．０〜１２．０質
量％含有している。ここで、Ｃの含有量は、マルテンサ
イトの硬さをさげて、溶接割れの発生頻度を低下させる
ために少ない方が好ましく、０．２０質量％以下とす
る。溶接割れの発生頻度をさらに低下させるためには、
Ｃの含有量を０．１０質量％以下とすることが好まし
い。

【００３１】また、前述したマルテンサイト変態開始温
度は、Ｃ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｍｏ及びＮｂの溶
接金属における含有量を調整することにより変化させる
ことができる。しかし、これら元素のうちＣｒ及びＮｉ
は含有量を増加させても、溶接材料のひとつである溶接
ワイヤの伸線工程における加工性（伸線工程での割れ発
生程度や伸線負荷を指す。以下同様である。）にさほど
影響を及ぼさないので、Ｃｒ及びＮｉの含有量を増加さ
せてマルテンサイト変態開始温度を調整することが好ま
しい。ここで、Ｃｒの含有量を６．０質量％以上とした
のは、６．０質量％未満であると、溶接金属のマルテン
サイト変態開始温度を４００℃以下とするために、高価
なＮｉや、溶接材料のひとつである溶接ワイヤの伸線工
程における加工性を劣化させるその他の成分を多量に含
有させる必要がでてくるためである。また、Ｃｒの含有
量を１６．０質量％以下としたのは、１６．０質量％を
越えると、溶接止端部の溶接金属の組織にフェライト組
織が出現して溶接金属が脆くなって好ましくないからで
ある。また、Ｎｉの含有量を３．０〜１２．０質量％に
規制したのは、３．０質量％未満では、溶接材料のマル
テンサイト変態開始温度を２５０℃未満とするために溶
接材料のひとつである溶接ワイヤの伸線工程における加
工性を劣化させるその他の成分を多量に含有させる必要
が生じるからである。また、Ｎｉは高価な元素であり、
多量に添加するのは経済的にも好ましくないので、Ｎｉ
含有量の上限値は１２．０質量％とした。なお、従来
は、船舶、海洋構造物、ペンストック、橋梁等に用いら
れる厚鋼板の溶接継手を製作する際は、溶接材料として
Ｎｉ含有量が３．０質量％未満、Ｃｒ含有量が１．０質
量％未満のものが用いられていた。

【００３２】さらに、本実施形態においては、溶接止端
部５の溶接金属において、Ｓｉを０．２０〜１．０質量
％、Ｍｎを０．４〜２．５質量％、Ｍｏを４．０質量％
以下、Ｎｂを１．０質量％以下含有するようにした。Ｓ
ｉの含有量を０．２０〜１．０質量％としたのは、Ｓｉ
は脱酸材として添加されるため０．２０質量％以上は必
要であり、１．０質量％を越えると溶接材料のひとつで
ある溶接ワイヤの伸線工程における加工性が低下するた
めである。同様に、Ｍｎの含有量を０．４〜２．５質量
％としたのは、Ｍｎは脱酸材として添加されるため０．
４質量％以上は必要であり、２．５質量％を越えると溶
接材料のひとつである溶接ワイヤの伸線工程における加
工性が低下するためである。

【００３３】また、Ｍｏは、溶接部に耐食性を持たせる
目的で添加することができるが、Ｍｏの含有量が４．０
質量％を越えると、溶接材料のひとつである溶接ワイヤ
の伸線工程における加工性が低下するため、Ｍｏの含有
量を４．０質量％以下とした。また、Ｎｂは、マルテン
サイト変態開始温度を低下させる効果があるために添加
することができるが、Ｎｂの含有量が１．０質量％を越
えると、溶接材料のひとつである溶接ワイヤの伸線工程
における加工性が低下するため、Ｎｂの含有量を１．０
質量％以下とした。

【００３４】次に、図１に示すように、溶接止端部３の
両端側に付加溶接４を施す場合の前記角回し溶接及び付
加溶接４の施工順序を図４を参照して説明する。先ず、
リブ板２の主板１への角回し溶接に際しては、図４
（ａ）に示すように、主板１の表側において（１）の矢
印で示す方向に回してリブ板２の一端側半分を溶接し、
その後、（２）の矢印で示す方向に回してリブ板２の他
端側半分を溶接する。

【００３５】次いで、図４（ｂ）に示すように、主板１
の裏側において（３）の矢印で示す方向に回してリブ板
２の一端側半分を溶接し、その後、（４）の矢印で示す
方向に回してリブ板２の他端側半分を溶接する。これに
より角回し溶接が終了する。その後、付加溶接４に際し
ては、図４（ｃ）に示すように、主板１の表側において
（５）の矢印で示す方向に回して溶接止端部３の一端側
一部を溶接し、その後、（６）の矢印で示す方向に回し
て溶接止端部３の他端側一部を溶接する。

【００３６】次いで、図４（ｄ）に示すように、主板１
の裏側において（７）の矢印で示す方向に回して溶接止
端部３の一端側一部を溶接し、その後、（８）の矢印で
示す方向に回して溶接止端部３の他端側一部を溶接す
る。これにより付加溶接４が終了する。なお、付加溶接
４においては、溶接止端部３の両端側に施す場合のみな
らず、溶接止端部３の全周のうちいずれかの部分に施せ
ばよい。

【００３７】

【実施例】本発明の効果を検証すべく、次のようなこと
を行った。表１に示す化学組成を有する低合金厚鋼板を
被溶接材とし、表２に示す化学組成（ＪＩＳ Ｚ３１１
１に準拠して測定した溶着金属の組成）を有する溶接材
料を用いて、表４に示す通常溶接の溶接条件及び付加溶
接の溶接条件にて溶接継手を作製した。ここで、表１に
おいては、各被溶接材の引張強さ及び板厚をも併記し
た。また、表２においては、溶接に際して使用されるフ
ラックスの種類を併記した。表３は、表２に示された各
フラックスの組成を説明するための表である。

【００３８】

【表１】

【００３９】

【表２】

【００４０】

【表３】

【００４１】

【表４】

【００４２】そして、作製された各溶接継手より、ＪＩ
Ｓ Ｚ２２７３の規定に準拠した疲労試験片を採取し、
疲労特性を調査した。なお、疲労試験片の形状は、図５
に示すように、主板１については板厚ｔ₁ が１６ｍｍ、
板長ｌ₁ が５００ｍｍ、板幅ｗ１が１００ｍｍである。
また、リブ板２については、板厚ｔ₂ が１６ｍｍ、板長
ｌ₂ が１００ｍｍ、板高さｈ₂ が各５０ｍｍである。そ
して、リブ板２は、主板１の両端からの距離ｌ₃ が２０
０ｍｍの位置に接合されたものである。疲労試験に際し
ては、９．８×１０⁵ Ｎサーボパルス型疲労試験を用
い、試験片への繰返し負荷方向を図５の矢印方向とし
た。

【００４３】また、作製された各溶接継手における溶接
止端部の応力集中係数Kt値（式（１）の値）を測定し
た。このKt値の測定方法としては、予め、疲労試験前に
シリコーンゴムを用いた型どりを実施し、疲労試験終了
後、破断位置について投影機により５倍に拡大し、主板
側脚長、リブ板側脚長、止端半径、余盛角度を測定し、
前述の（１）式に当てはめて計算した。この計算に際し
て、前述の主板厚ｔ₁ ：１６ｍｍ及びリブ板厚ｔ₂ ：１
６ｍｍを採用する。

【００４４】さらに、作製された各溶接継手における溶
接止端部の溶接金属の化学組成を調査し、前述の（２）
式の値を求めてマルテンサイト変態開始温度を調査し
た。疲労試験の結果、応力集中係数Kt値（式（１）の
値）、溶接金属の化学組成、及びマルテンサイト変態開
始温度（（２）式の値）を表５に示す。

【００４５】

【表５】

【００４６】表５を参照すると、溶接継手Ａについて
は、溶接金属のマルテンサイト変態開始温度（（２）式
の値）が２０９℃、応力集中係数Kt値（式（１）の値）
が２．４８であり、請求項１に規定する要件を満たし、
本発明例を構成している。また、溶接継手Ｂにおいて
も、溶接金属のマルテンサイト変態開始温度（（２）式
の値）が２７２℃、応力集中係数Kt値（式（１）の値）
が２．４６であり、請求項１に規定する要件を満たし、
本発明例を構成している。

【００４７】一方、溶接継手Ｃについては、応力集中係
数Kt値（式（１）の値）が２．５５であって請求項１に
規定する要件を満たしているが、溶接金属のマルテンサ
イト変態開始温度（（２）式の値）が−１８２℃と低
く、比較例を構成している。また、溶接継手Ｄについて
は、溶接金属のマルテンサイト変態開始温度（（２）式
の値）が９２℃、応力集中係数Kt値（式（１）の値）が
４．３９であり、請求項１に規定する要件をいずれも満
たさず、比較例を構成している。

【００４８】表５を参照すると、本発明例を構成する溶
接継手Ａ及び溶接継手Ｂの場合には、２００万回疲労強
度がそれぞれ２１０ＭＰａ、２２０ＭＰａであり、比較
例を構成する溶接継手Ｃ及び溶接継手Ｄの場合には、２
００万回疲労強度がそれぞれ８０ＭＰａ、１２０ＭＰａ
となっている。従って、本発明例の溶接継手の疲労強度
は、比較例の溶接継手のそれよりも優れており、疲労特
性に優れていることが理解される。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る低合
金鉄鋼材料の溶接継手及びその溶接方法によれば、通常
の溶接後に溶接止端部をグラインダやロータリーカッタ
等の研削工具で滑らかに研削して止端半径を大きくする
といったような止端処理や急冷処理、あるいは複雑な溶
接を施さなくても、溶接継手の疲労強度を飛躍的に向上
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る低合金鉄鋼材料の溶接継手の斜視
図である。

【図２】主板厚、リブ板厚、主板側脚長、リブ板側脚
長、止端半径、及び余盛角度を説明するための概略図で
ある。

【図３】本実施形態に係る溶接止端部の溶接金属の変態
特性を、従来の溶接方法によって形成された溶接止端部
の溶接金属の変態特性と比較して示したグラフである。

【図４】角回し溶接及び付加溶接の施工順序の説明図で
ある。

【図５】疲労試験片の形状及び試験片への繰返し負荷方
向を示す図である。

【符号の説明】

１ 主板 ２ リブ板 ３ 角回し溶接の溶接止端部 ４ 付加溶接 ５ 付加溶接の溶接止端部

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１５年１月１７日（２００３．１．１
７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項７

【補正方法】変更

【補正内容】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久保 高宏 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者 安田 功一 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者 天野 虔一 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者 町田 文孝 東京都北区滝野川１−３−11 川田工業株 式会社技術開発本部内 (72)発明者 竹内 健二 香川県仲多度郡多度津町西港町17 川田工 業株式会社生産本部内 Ｆターム(参考） 4E001 AA03 CA02 DA05 DF09 EA10

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶接材料を用いて低合金鉄鋼材料同士を
   溶接により固着して形成した低合金鉄鋼材料の溶接継手
   の溶接方法であって、 前記溶接により形成された溶接止端部に付加溶接を施
   し、 該付加溶接によって生成される溶接止端部の溶接金属の
   マルテンサイト変態開始温度が１２０℃以上４００℃以
   下であり、かつ前記溶接止端部において下記（１）式で
   表される応力集中係数Kt値が１．３以上２．８以下とな
   るように前記付加溶接を行うことを特徴とする低合金鉄
   鋼材料の溶接継手の溶接方法。 Kt=1+ ｛1.348+0.397 ・ln(S/t₁)｝・Q^0.467・f(θ） ……（１） 但し、 f(θ) = ｛1-exp(-0.9・β・θ) ｝/ ｛1-exp(-0.9・β
   ・π/2) ｝, Q=1/｛2.8(W/t₁)-2 ｝・(l₂/ρ), W=t₁+2l₂, S=t₂+2l₁, β= ｛W/(2l₂) ｝^1/2, t₁: 主板厚, t₂: リブ板厚, l₁: 主板側脚長, l₂: リブ
   板側脚長,ρ: 止端半径, θ( ラジアン):余盛角度とす
   る。
2. 【請求項２】 前記溶接止端部の溶接金属におけるＣ，
   Ｃｒ，Ｎｉ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｍｏ及びＮｂの含有量が下記
   （２）式を満たすことを特徴とする請求項１記載の低合
   金鉄鋼材料の溶接継手の溶接方法。 １２０≦７１９−７９５×Ｃ（質量％）−２３．７×Ｃｒ（質量％）−２６ ．５×Ｎｉ（質量％）−３５．５５×Ｓｉ（質量％）−１３．２５×Ｍｎ（質量 ％）−２３．７×Ｍｏ（質量％）−１１．８５×Ｎｂ（質量％）≦４００ ……（２）
3. 【請求項３】 前記溶接止端部の溶接金属において、Ｃ
   を０．２０質量％以下、Ｃｒを６．０〜１６．０質量
   ％、Ｎｉを３．０〜１２．０質量％含有することを特徴
   とする請求項１又は２記載の低合金鉄鋼材料の溶接継手
   の溶接方法。
4. 【請求項４】 前記溶接止端部の溶接金属において、Ｓ
   ｉを０．２０〜１．０質量％、Ｍｎを０．４〜２．５質
   量％、Ｍｏを４．０質量％以下、Ｎｂを１．０質量％以
   下含有することを特徴とする請求項１乃至３のうちいず
   れか一項に記載の低合金鉄鋼材料の溶接継手の溶接方
   法。
5. 【請求項５】 前記溶接継手が、角回し溶接継手である
   ことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項に
   記載の低合金鉄鋼材料の溶接継手の溶接方法。
6. 【請求項６】 溶接材料を用いて低合金鉄鋼材料同士を
   溶接により固着して形成した低合金鉄鋼材料の溶接継手
   であって、 前記溶接により形成された溶接止端部に付加溶接を施
   し、 該付加溶接によって生成される溶接止端部の溶接金属の
   マルテンサイト変態開始温度が１２０℃以上４００℃以
   下であり、かつ前記溶接止端部において下記（１）式で
   表される応力集中係数Kt値が１．３以上２．８以下であ
   ることを特徴とする低合金鉄鋼材料の溶接継手。 Kt=1+ ｛1.348+0.397 ・ln(S/t₁)｝・Q^0.467・f(θ） ……（１） 但し、 f(θ) = ｛1-exp(-0.9・β・θ) ｝/ ｛1-exp(-0.9・β
   ・π/2) ｝, Q=1/｛2.8(W/t₁)-2 ｝・(l₂/ρ), W=t₁+2l₂, S=t₂+2l₁, β= ｛W/(2l₂) ｝^1/2, t₁: 主板厚, t₂: リブ板厚, l₁: 主板側脚長, l₂: リブ
   板側脚長,ρ: 止端半径, θ( ラジアン):余盛角度とす
   る。
7. 【請求項７】 前記溶接止端部の溶接金属におけるＣ，
   Ｃｒ，Ｎｉ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｍｏ及びＮｂの含有量が下記
   （２）式を満たすことを特徴とする請求項６記載の低合
   金鉄鋼材料の溶接継手。 １２０≦７１９−７９５×Ｃ（質量％）−２３．７×Ｃｒ（質量％）−２６ ．５×Ｎｉ（質量％）−３５．５５×Ｓｉ（質量％）−１３．２５×Ｍｎ（質量 ％）−２３．７×Ｍｏ（質量％）−１１．８５×Ｎｂ（質量％）＜４００ ……（２）
8. 【請求項８】 前記溶接止端部の溶接金属において、Ｃ
   を０．２０質量％以下、Ｃｒを６．０〜１６．０質量
   ％、Ｎｉを３．０〜１２．０質量％含有することを特徴
   とする請求項６又は７記載の低合金鉄鋼材料の溶接継
   手。
9. 【請求項９】 前記溶接止端部の溶接金属において、Ｓ
   ｉを０．２０〜１．０質量％、Ｍｎを０．４〜２．５質
   量％、Ｍｏを４．０質量％以下、Ｎｂを１．０質量％以
   下含有することを特徴とする請求項６乃至８のうちいず
   れか一項に記載の低合金鉄鋼材料の溶接継手。
10. 【請求項１０】 前記溶接継手が、角回し溶接継手であ
    ることを特徴とする請求項６乃至９のうちいずれか一項
    に記載の低合金鉄鋼材料の溶接継手。