JP2004337938A

JP2004337938A - 疲労強度の高い溶接継手

Info

Publication number: JP2004337938A
Application number: JP2003138716A
Authority: JP
Inventors: Fumikichi Minami; 二三吉南; Wataru Takahara; 渉高原; Yasuto Takashima; 康人高嶋; Noboru Yoda; 登誉田; Kazushige Arimochi; 和茂有持
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】溶接余盛止端部における応力集中を低減することによって、疲労強度の高い溶接継手を提供する。
【解決手段】余盛が残された溶接継手であって、表層部の溶着金属部のビッカース硬度値が、母材のビッカース硬度値よりも小さいことを特徴とする疲労強度の高い溶接継手。母材のビッカース硬度値に対する表層部の溶着金属部のビッカース硬度値が６０％以下であることが望ましい。
但し、上記のビッカース硬度値は、押付け荷重９．８Ｎでの測定値である。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、鋼構造物全般における余盛が残された状態での溶接継手であって、疲労強度の高い溶接継手に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、鋼構造物の大型化とともに鋼構造物に対する安全性の要求は一段と厳しくなってきており、特に、繰返し荷重がかかる構造物に対しては、溶接部の余盛り先端（止端）の応力集中部を起点とする疲労破壊が危惧されている。なお、この破壊は、施工終了後、長期間を経た後に発生することもあるので、その対策は構造物の設計段階だけでなく建設後のメンテナンスにおいても重大な課題となっている。
【０００３】
一般に、鋼材の引張強度を上昇させると、ある限度までは鋼材自身の疲労強度は引張強度にほぼ比例して向上することが知られている。しかしながら、被溶接鋼材、即ち、母材の引張強度を上昇させても溶接継手の疲労強度を改善させることはできない。この理由として、高強度材では溶接に伴う引張残留応力が耐力に応じて高いレベルになり、これが継手疲労強度を低下させる要因となっていることが挙げられる。さらに、溶接余盛の止端形状が同じであっても、被溶接鋼材が高強度の場合ほど疲労き裂発生に対する切欠き感受性が高くなり、継手疲労強度を大幅に低下させることが知られている。
【０００４】
溶接継手の疲労強度を向上させる従来の技術として、例えば、溶接後熱処理による引張残留応力の緩和、ショットピーニングに代表される外力による引張残留応力の緩和、化粧ビードによる余盛止端形状の改善、あるいはグラインダー加工による余盛止端形状の改善などが行われてきた。加工などにより余盛りを完全に削除して平滑な形状にすれば、疲労強度の向上が期待されるが、現実にはこの加工には膨大な工数とコストが発生し、一般工業製品への適用は困難である。
【０００５】
上記のような問題を解決するために、特許文献１（特開２００１−７１１３６号公報）では溶接余盛止端部における応力集中を低減することによって、溶接継手の疲労強度の改善を図る方法が提案されている。この方法では、溶接余盛り形状に着目し、余盛りの断面形状パラメータと溶け込み深さの比を規制することにより、破壊を防止するとしている。
【０００６】
しかし、余盛り形状の改善により、溶接余盛り止端近傍の応力集中を緩和することは可能であるが、疲労破壊が懸念されるすべての領域にわたってこの方法を適用することは、特に大型構造物においては極めて困難である。
【０００７】
一方、近年、低温変態膨張性の溶接材料を使用し、継手疲労強度を高める方法も提案されている。例えば、特許文献２（特開昭５４−１３０４５１号公報）および特許文献３（特開昭６０−６８１７５号公報）には、溶接金属のマルテンサイト変態時における膨張効果を効果を利用して引張残留応力を低減させる溶接方法が開示されている。
【０００８】
しかしながら、この方法では溶着金属に対しマルテンサイト変態を起こすような化学成分を要求することとなり、結果的に溶接材料がＮｉ、Ｃｒ等の高価な成分を多量に含む高コストのものになってしまう。しかも、Ｎｉ、Ｃｒ等を含有することにより溶接性が悪くなることも懸念される。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−７１１３６号公報
【特許文献２】
特開昭５４−１３０４５１号公報
【特許文献３】
特開昭６０−６８１７５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、溶接余盛止端部における応力集中を効率良く低減することによって、疲労強度の高い溶接継手を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、溶接構造用鋼の溶接継手部を対象として、応力集中部となっている溶接余盛部について検討した。その結果、疲労強度に優れた溶接継手に関し、以下の知見を得た。
【００１２】
▲１▼ 溶接材料として、その耐力が被溶接材（母材）の耐力より低いものを用いれば、余盛り止端における応力集中を緩和できること、
▲２▼ 突合せ継手において疲労強度向上効果が優れること、
▲３▼ 突合せ継手にアンダーカットが内在している場合、アンダーカット底での応力集中緩和効果が顕著に発揮され、疲労強度向上効果が著しいこと。
【００１３】
本発明は、上記の知見を基に、更に、検討を加えることによりなされたものであり、その要旨は、以下のとおりである。
【００１４】
（１）余盛が残された溶接継手であって、表層部の溶着金属部のビッカース硬度値が、母材のビッカース硬度値よりも小さいことを特徴とする疲労強度の高い溶接継手。
【００１５】
（２）余盛が残された溶接継手であって、母材のビッカース硬度値に対して、表層部の溶着金属部のビッカース硬度値が６０％以下であることを特徴とする疲労強度の高い溶接継手。
【００１６】
但し、上記のビッカース硬度値は、押付け荷重９．８Ｎでの測定値である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
溶接継手部の疲労破壊は、一般に溶接余盛止端部で発生した疲労き裂が母材側に伝播して最終破断に至る。この破壊形態には、溶接施工に伴い導入された引張残応力と、溶接余盛止端部の応力集中が影響している。そのため、溶接継手部を起点とする疲労強度を高める方法は、溶接部の応力集中を低減させることであり、具体的には表層部溶接材料の耐力低減が有効である。
【００１８】
本発明者らは、表層部溶接材料の耐力について検討した。表１に示すように、母材には引張強度が４９０ＭＰａ級と７８０ＭＰａ級の２種類、溶接材料は５種類を用い、３次元有限要素法（計算コードはＡＢＡＱＵＳ）による弾塑性解析を行った。表１に解析に用いた材料特性を示す。また、溶接余盛り部の応力分布を明らかにすべく実施した応力解析に用いた突合せ継手溶接部の形状および寸法を図１に示す。
【００１９】
【表１】

【００２０】
図１において、１は母材（鋼板）、２は溶接金属、２−１は溶接金属の表層、円で囲った部分３が止端部である。この止端部を拡大して示したのが（ｂ）図および（ｃ）図で、前者はアンダーカットがない場合、後者がアンダーカットのある場合である。これらの図で、ｈは余盛り高さ、ｔは鋼板板厚、Ｗは鋼板の板幅、Ｌは継手全長、Ｅは溶接金属表層の厚さ、ｄはアンダーカット深さ、ρは余盛り止端半径、ρｕはアンダーカット底半径、σ０は負荷応力、ｂは余盛り幅である。
これらに値は下記のとおりである。
【００２１】
ｈ＝３ｍｍ、ｔ／２＝１２．５ｍｍ、Ｗ／２＝２０ｍｍ、Ｌ／２＝７５ｍｍ、
Ｅ＝９．０ｍｍ、ｂ／２＝１５ｍｍ、ｄ＝０．３ｍｍまたは０．６ｍｍ、
ρ＝０．５ｍｍまたは１．５ｍｍ、ρｕ＝０．１ｍｍ。
【００２２】
なお、（ｂ）図および（ｃ）図のαは３５度である。
【００２３】
解析した負荷応力範囲は「σ０／σＹＢＭ」で、０．０４から０．６８の範囲である。このσＹＢＭは母材鋼板の耐力である。なお、疲労試験においては繰返し荷重が負荷されるが、疲労損傷が最も進行するのは最大荷重時であるので、ここでは最大荷重時における応力分布を解析した。
【００２４】
解析結果の一例を図２に示す。この結果から表層部溶接材料としてその耐力が母材耐力より低いものを使用した方が応力集中係数の点で有利となり、疲労特性に優れるであろうことがわかる。なお、図２に示されるように、ここでは継手内での不均質な塑性変形を利用しており、負荷レベルによって応力集中係数は変化することを利用している。
【００２５】
図２において、横軸は負荷レベルでありσ０は負荷応力、σＹＢＭは母材鋼板の耐力である。また、縦軸は母材あるいは溶接金属部の応力集中係数Ｋｔを表しており、このＫｔは下記の式で定義される。
Ｋｔ＝σ１，ｍａｘ／σ０
ここで、σ１，ｍａｘは最大発生応力である。
【００２６】
図中に「表層硬質材」と表現しているのは、溶金耐力（硬度）が母材耐力（硬度）より高い場合、即ちＯｖｅｒｍａｔｃｈであることを示している。また、「表層軟質材」と表現しているのは、逆に溶金耐力（硬度）が母材耐力（硬度）より低いこと、即ちＵｎｄｅｒｍａｔｃｈを示し、「同等強度材」と表現しているのは、溶金耐力（硬度）と母材耐力（硬度）が等しいこと、即ちＥｖｅｎｍａｔｃｈを意味する。
【００２７】
同様の応力解析を種々の機械的特性の組合せからなる溶接継手に対して実施した。各解析結果の比較においては、負荷レベルとして主に母材引張強度の４４％を採用した。これは、母材の疲労強度は概ね引張強度の５０％程度であり、溶接部の疲労強度を議論する場合の負荷レベルとしては母材引張強度の４４％が妥当であるとの考えに基づく。
【００２８】
図３は、上記の試験から明らかになった「溶接金属（溶金）の耐力／母材耐力」と余盛り止端部の応力集中係数との関係を示す図である。
【００２９】
図３に示すように、母材の耐力に対して表層部溶接材料の耐力が８０％以下であれば、余盛り止端における応力集中係数（Ｋｔ）が２以下になり、応力集中が緩和される。さらに表層部材料の耐力が母材のそれの６０％以下であれば、さらに応力集中が著しく緩和される。
【００３０】
ここで、耐力に着目したのは、塑性変形の不均質さを利用して応力集中係数を抑制しているので、耐力が塑性変形開始を律則するパラメータとなるからである。
【００３１】
引張試験によって得られる耐力とビッカース硬度値の間には強い相関があることが知られており、両者は比例関係にあると見なすことができる。そこで、品質管理の簡便さから、本発明では溶接金属部の硬度および母材部の硬度を採用している。
【００３２】
なお、ビッカース硬度測定における押付け荷重値は、溶接部の硬度分布の測定において多用される９．８Ｎを選択した。硬度測定は、測定領域が母材のみからなるように、あるいは溶接金属のみからなるように選択し、その領域内で硬度を７点測定し、最高値、最低値をそれぞれ除外した５点のデータの平均値を硬度としている。
以上、止端半径ρが１．５ｍｍの場合を採り上げて説明したが、止端半径が変化しても同様の傾向が維持される。図４の（ａ）および（ｂ）にρが１．５ｍｍの場合と０．５ｍｍの場合を比べて示す。図示のとおり、ρの値にかかわらず、母材の耐力に対し表層部溶接材料の耐力が６０％（表層軟質材）であれば、余盛り止端での応力集中を効果的に抑制することができる。
【００３３】
なお、図４の無次元負荷応力とは、図２のそれと同じ「σ０／σＹＢＭ」である。また、縦軸は溶接金属部の応力集中係数を表しており、その定義は前述のとおりである。図中の「表層硬質材」および「表層軟質材」の意味も前述のとおりである。
【００３４】
図５は、前記の無次元負荷応力が０．１２、０．３０および０．５４の場合の応力集中係数を表層硬質材、表層軟質材につきそれぞれアンダーカット深さの異なるものについて示したものである。
【００３５】
本発明は、特にアンダーカットを内在する溶接継手に対し効果があり、図５に示すように、特に負荷レベルが小さな領域（（ａ）図）で表層軟質材の応力集中係数低減の効果が顕著である。これは、実構造物のような低負荷条件下で疲労強度の向上効果が期待できることを意味する。なお、図５では全てアンダーカットを止端部に想定している。
【００３６】
【実施例】
次に、この発明を実施例により更に説明する。
【００３７】
使用した母材の化学成分、機械的性質を表２および表３にそれぞれ示す。なお、本実施例では母材強度を８０キロ級に設定したが、本発明は鋼材強度に係わらず適用することが可能である。
【００３８】
使用した溶接材料名などを表４に示す。突合せ継手から切出した全溶金の丸棒引張試験結果を表５に示す。なお、引張試験片の平行部直径は６ｍｍである。
【００３９】
【表２】

【００４０】
【表３】

【００４１】
【表４】

【００４２】
溶接継手の疲労試験は、荷重制御の下、室温大気中で荷重比０．１の条件で実施した。荷重比とは疲労試験荷重の最小荷重と最大荷重の比であり、「最小荷重／最大荷重」で算出される。荷重波形はｓｉｎ波を採用した。疲労破断寿命は、最大荷重時の掴み部間変位が試験開始時に比べて１ｍｍ増した瞬間とした。継手疲労試験片の形状および寸法を図６に示す。同図において、２は溶接金属である。
【００４３】
図６に示す形状の継手疲労試験片には、チャッキングの均質性を確認するために溶接余盛り止端から５０ｍｍ離れた位置に４面、また疲労き裂の発生を評価するため溶接余盛り止端から５ｍｍ離れた位置４カ所にひずみゲージを貼付して、ひずみを測定した。表６には継手試験体の製作条件を示す。また、各溶接条件を表７に示す。
【００４４】
【表５】

【００４５】
【表６】

【００４６】
表６の硬度値は、測定を７箇所で行い、最大値、最小値を除去した５点の平均値である。硬度の測定は、鋼板表面から０．５ｍｍの位置とした。表中の硬度比とは母材硬度値に対する表層溶金硬度値の比率である。
【００４７】
疲労試験結果を表８に示す。同表の結果は、σｍａｘ／σＹＢＭ＝０．４４の負荷条件の下での疲労破断寿命であるが、本発明例に相当する「ＨＴ８０表層軟質材」の継手疲労強度は、「ＨＴ８０表層硬質材」より著しく高く、疲労寿命が優れていることがわかる。また、本発明例に相当する「ＨＴ８０同等強度材」も「ＨＴ８０表層硬質材」より疲労強度が優れていることが確認された。
【００４８】
疲労破断した溶接継手ではいずれも溶接余盛り止端を起点として疲労き裂が発生し、板厚方向にき裂が進展するという破壊形態は同一であった。また、疲労破断寿命に占める疲労き裂発生寿命の比率は極めて高く、疲労き裂の発生が寿命を律していることも確認された。
【００４９】
上述した実施例から、この発明による溶接継手によって疲労強度を改善できることが明らかである。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、構造用鋼溶接継手部における表層部溶着金属部のビッカース硬度値を母材硬度値よりも低くすることによって、溶接余盛止端部の応力集中を低減することができが、これにより溶接継手の疲労強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】応力解析に用いた突合せ継手溶接部の形状を示す図である。
【図２】応力解析結果の一例を示す図である。
【図３】「溶金耐力／母材耐力」の比が応力集中係数に及ぼす影響を示す図である。
【図４】応力集中係数に及ぼす余盛り止端半径ρの影響を示す図である。
【図５】応力集中係数に及ぼす母材と溶金の耐力比、負荷レベルを示す図である。
【図６】突合せ溶接継手の疲労試験片の形状と寸法を示す図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
１…母材（鋼板）、２…溶接金属、２−１…溶接金属の表層、３…止端部

Claims

余盛が残された溶接継手であって、表層部の溶着金属部のビッカース硬度値が、母材のビッカース硬度値よりも小さいことを特徴とする疲労強度の高い溶接継手。但し、上記のビッカース硬度値は、押付け荷重９．８Ｎでの測定値である。
余盛が残された溶接継手であって、母材のビッカース硬度値に対して、表層部の溶着金属部のビッカース硬度値が６０％以下であることを特徴とする疲労強度の高い溶接継手。但し、上記のビッカース硬度値は、押付け荷重９．８Ｎでの測定値である。