JP2005319516A - 耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の溶接方法および溶接構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】７０ｍｍ以上の板厚の鋼板であっても、万一、溶接継手に脆性き裂が発生した場合に、溶接部にて脆性き裂の伝播を防止して溶接構造体の致命的な破断を防止できる溶接構造体の溶接方法および溶接構造体を提供する。
【解決手段】 垂直部材の溶接継手で脆性き裂を停止させたい領域に対し、当該領域の垂直部材と溶接金属をくり抜いた後、当該部分に脆性き裂が停止可能な下記を満足するアレスター材を挿入し、アレスター材の溶接を実施することを特徴とする耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の溶接方法および溶接構造体。
【選択図】図６

Description

本発明は、溶接継手に発生した脆性き裂の伝播を停止する耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の溶接方法および溶接構造体に関する。
具体的には、例えば、大型コンテナ船、バルクキャリアーなどの船舶の溶接継手に発生する可能性のある脆性き裂の伝播を妨げる耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の溶接方法および溶接構造体に関するものであり、また、海洋構造物、低温貯蔵タンク、ラインパイプおよび土木・建築構造物等における溶接構造体の溶接方法および溶接構造体に関する。

溶接構造体であるコンテナ船やバルクキャリアーは、タンカー等と異なり船倉内の仕切り壁がなく、船上部の開口部が大きく開いている。即ち、タンカーは油槽により内部が細かく仕切られており、内部壁や上甲板に強度を持たせた構造となっている。これに対して、コンテナ船は、積載能力の向上や荷役効率の向上等のため仕切り壁を無くして上部開口部を大きくとった構造となっている。このため、コンテナ船では特に船殻外板および船殻内板の強度を確保する必要がある。
近年、コンテナ船は大型化し、６０００ＴＥＵ以上の大型コンテナ船が製造されるようになってきて、船体外板の鋼板は厚肉化、高強度化し、板厚７０ｍｍ以上で降伏強度３９０Ｎ／ｍｍ²級以上の鋼板が用いられるようになってきている。なお、ＴＥＵ（Twenty feet Equivalent Unit）は、長さ２０フィートのコンテナに換算した個数を表し、コンテナ船の積載能力の指標を示している。

船殻外板および船殻内板となる鋼板は大入熱溶接である例えばエレクトロガスアーク溶接方法により溶接されているが、溶接入熱が大きいため大きな溶接熱影響部が形成され、溶接継手での万一の脆性き裂の発生に注意する必要があった。
このため、溶接継手等での脆性き裂発生を防止するために、脆性破壊特性に優れた鋼板（ＴＭＣＰ鋼板）が開発されている（例えば、特許文献１）。
これまで、６０００ＴＥＵ以下のコンテナ船では、板厚５０ｍｍ程度のＴＭＣＰ鋼板等が使用されていて、溶接継手で脆性き裂が発生しても、溶接部の残留応力により、脆性き裂が溶接継手部から母材側に逸れていくので、母材のアレスト性能を確保しさえすれば、万一、溶接継手部で脆性き裂が発生しても母材で脆性き裂を停止できると考えられてきた。
また、板厚２５ｍｍ程度の鋼板を用いた船殻の溶接構造体に関しては、複数の鋼板を交差状態に複合化して補強した構造が採用されていて、構造的に脆性き裂伝播停止性能が飛躍的に改善されている。例えば、図１に示すように船殻内板１が複数枚の平板を突合せ溶接継手２によって接合して一体に形成されるとともに、船殻内板１の表面に、補強材３が突合せ溶接継手２と交差するように隅肉溶接部４により取り付けられており、かつ、突合せ溶接継手２と隅肉溶接部４との干渉を逃し穴５の形成によって避けるようにしているものがある（例えば、特許文献２）。

しかしながら、コンテナ船の大型化が進み、６０００ＴＥＵを超えるコンテナ船では板厚７０ｍｍを超える、かつ設計応力が高い高張力鋼の厚鋼板が使用されるようになってきている。このような厚鋼板では、溶接継手部の破壊靭性の程度によっては、脆性き裂が母材に逸れることなく、溶接継手部の熱影響域に沿って伝播する可能性がある。
本発明者らによる鋼板の脆性破壊に係る試験によれば、板厚５０ｍｍ以下の鋼板に、図２に示すように、鋼板の溶接継手部と交差するように隅肉溶接により骨材（補強板）を取り付けると、鋼板に脆性き裂が発生しても骨材により脆性き裂の伝播が止められて（アレスト）、鋼板の破断に至らないことも多い。
しかし、板厚が５０ｍｍを超え、７０ｍｍ程度と板厚が厚くなると、骨材自体のアレスト性能の確保も充分でなくなる可能性がある。
特開平０６−０８８１６１号公報 特開平０６−３３６１８８号公報（第４図）

そこで、本発明は、７０ｍｍ以上の板厚の鋼板であっても、万一、溶接継手に脆性き裂が発生した場合に、溶接部にて脆性き裂の伝播を防止して溶接構造体の致命的な破断を防止できる溶接構造体の溶接方法および溶接構造体を提供することを課題とする。

本発明者らは、溶接構造体において、重要な溶接部について、特定のアレスター材を挿入し溶接することによって、溶接継手の脆性き裂伝播を防止して大規模破壊を未然に防止することができることを見出して本発明を完成したものであり、その要旨とするところは、特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１） 溶接継手に発生した脆性き裂の伝播を停止する耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の溶接方法であって、
前記溶接構造体の垂直部材の溶接継手で脆性き裂を停止させたい領域に対し、当該領域の垂直部材と溶接金属をくり抜いた後、当該部分に脆性き裂が停止可能な下記を満足するアレスター材を挿入し、アレスター材の溶接を実施することを特徴とする、耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の溶接方法。
アレスター材の板厚≧垂直部材の板厚×２／３
アレスター材の板長≧垂直部材の板厚×２
（２） 溶接継手に発生した脆性き裂の伝播を停止する耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体であって、
前記溶接構造体の垂直部材の溶接継手で脆性き裂を停止させたい領域の垂直部材と溶接金属がくり抜かれた後、当該部分に脆性き裂が停止可能な下記を満足するアレスター材が挿入されて溶接されていることを特徴とする、耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体。
アレスター材の板厚≧垂直部材の板厚×２／３
アレスター材の板長≧垂直部材の板厚×２
アレスター材のアレスト性能（Ｋｃａ）≧６０００Ｎ／ｍｍ^1.5

本発明によれば、７０ｍｍ以上の板厚の鋼板であっても、万一、溶接継手に脆性き裂が発生した場合に、溶接部にて脆性き裂の伝播を防止して溶接構造体の破断を防止できる溶接構造体の溶接方法および溶接構造体を提供することができ、産業上有用な著しい効果を奏する。

本発明を実施するための最良の形態を図３〜図６を用いて詳細に説明する。図３は従来の船舶における溶接構造体を示す図で、図４は脆性き裂伝播を停止するための船舶における溶接構造体を示す図である。図４および図６において、９はアレスタ−材（伝播停止用挿入材）、３は補強材（船舶における骨材）、６は水平部材（船舶におけるデッキプレート）、７は垂直部材（船舶における船殻内板）、８は船舶における船殻外板を示す。

＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態は、図４のアレスター材９とアレスター溶接継手Ｄのように、垂直部材７と水平部材６の間で脆性き裂伝播を停止させるための溶接方法である。図５は従来の溶接継手構造を詳細図で、図６は、脆性き裂伝播を停止させるための溶接継手構造の詳細図である。すなわち、垂直部材７を伝播してきた脆性き裂に対してアレスター材９が挿入出来る大きさに垂直部材７と溶接継手（１）をくり抜いた後、当該部分に脆性き裂が停止可能なアレスター材９を挿入し、アレスター材９の溶接を実施することにより、この部分から脆性き裂を停止することができる。
本発明において、当該領域の垂直部材７と溶接継手（１）のくり抜きは、ガス加工、ガウジング、あるいは機械加工などにより実施する。アレスター材９の溶接は、耐脆性き裂伝播性を防止し、さらにアレスター溶接部からの疲労き裂発生や新たな脆性き裂発生の起点とならないようにするため、くり抜いた部分と挿入するアレスター材９の隙間を溶接金属で完全に充填する。図４と図６に示すように垂直部材７の継手部（１）を伝播してきた脆性き裂は、アレスター材９に突入し板厚方向と板長方向に伝播してアレスター材９の内部で停止する。その場合、アレスター材９の板厚ｔは、薄いと脆性き裂は板厚ｔを貫通して伝播するため、垂直部材７の板厚の２／３以上が必要である。また、アレスター材９の板長Ｌは、短いと脆性き裂がアレスター材を板長方向に伝播して通過し、垂直部材７に伝播し破断に至るので、垂直部材７の板厚の２倍以上が必要である。また、アレスター材９の板幅ｗは特に指定しないが、溶接による鋼材の材質劣化と角変形を考慮し、垂直部材７の板厚の２倍以上が好ましい。
なお、アレスター材９の溶接方法および溶接材料は特に指定しないが、溶接継手自体の破壊靭性を高めるため、例えば、溶接方法はＣＯ₂溶接やＳＭＡＷ、溶接材料はワイヤの成分を高Ｎｉ材料とするのが好ましい。

＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態は、溶接継手に発生した脆性き裂の伝播を妨げる耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体であって、前記溶接構造体の垂直部材の溶接継手で脆性き裂を停止させたい領域のアレスター材９とその溶接継手が、脆性破壊を停止させたい領域のアレスト性能（Ｋｃａ）を６０００Ｎ／ｍｍ^1.5以上とすることを特徴とする。
図４のアレスター材９とアレスター溶接継手Ｄのように、垂直部材７と水平部材６の間でき裂伝播停止のために実施する溶接継手Ｄの領域に対して、アレスター材の溶接を実施した領域におけるアレスター材９のアレスト性能が６０００Ｎ／ｍｍ^1.5以上有していれば、脆性き裂の速度が極めて大きかったり、負荷された応力が大きく残留応力によりき裂の伝播方向の変化が期待できない状況下でも脆性き裂が停止させることを知見した。
なお、６０００Ｎ／ｍｍ^1.5以上のアレスト性能を有するアレスター材は特に指定しないが、例えば、３．５％Ｎｉ含有鋼、９％Ｎｉ含有鋼などが該当する。
また、上記アレスター材は１枚のみでも十分な脆性き裂停止性能を有するが、２枚以上積層した場合には、さらに著しい耐脆性き裂伝播性を有する。

本発明の実施例を表１に示す。
表１における母材１の継手（１）、アレスター材９、アレスター材の継手Ｄは図４および図６に示す表記と一致している。
Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１１は、本発明に従って、垂直部材７と継手（１）の一部をくり抜き、アレスター材９を挿入して溶接を行った本発明例であって、いずれの実施例も、耐き裂伝播性が良好であり、垂直部材７の継手（１）を伝播してきた脆性き裂が、アレスター材９に突入し、アレスター内で停止し、破断しなかった。
一方、Ｎｏ．１２〜Ｎｏ．２０は比較例であって、Ｎｏ．１２〜Ｎｏ．１４はアレスター材９を挿入し溶接したが、アレスター材９の破壊靭性（Ｋｃａ）が低いため、脆性き裂がアレスター９を貫通してから母材１の継手（１）を伝播して破断した。また、Ｎｏ．１５〜Ｎｏ．１６はアレスター材９の板厚ｔおよび板長Ｌが本発明の条件を満足しなかったので、Ｎｏ．１５は脆性き裂がアレスター材９の板厚を貫通してから母材１の継手（１）を伝播して破断、Ｎｏ．１６は脆性き裂がアレスター材９の板長を通過してから母材１を伝播して破断した。さらに、Ｎｏ．１７〜Ｎｏ．２０はアレスター材９の挿入とその溶接を実施しなかったので、垂直部材７の継手（１）を伝播してきた脆性き裂が、そのまま継手（１）を伝播して破断した。

船殻の補強溶接構造体を示す図である。 溶接構造体の脆性き裂伝播を説明するための図である。 船舶における従来の溶接構造体の溶接方法を示す図である。 船舶における脆性き裂伝播を防止するための溶接構造体の溶接方法を示す図である。 従来の溶接構造体の溶接方法および溶接構造体を示す詳細図である。 脆性き裂伝播を防止するための溶接構造体の溶接方法および溶接構造体を示す詳細図である。

符号の説明

１ 鋼板、
２ 突合せ溶接継手部、
３ 補強材（船舶における骨材）、
４ 隅肉溶接部、
５ 逃がし穴、
６ 水平部材（船舶におけるデッキプレート）、
７ 垂直部材（船舶における船殻内板）、
８ 船舶における船殻内板、
９ アレスター材

Claims (2)

1. 溶接継手に発生した脆性き裂の伝播を停止する耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の溶接方法であって、
   前記溶接構造体の垂直部材の溶接継手で脆性き裂を停止させたい領域に対し、当該領域の垂直部材と溶接金属をくり抜いた後、当該部分に脆性き裂が停止可能な下記を満足するアレスター材を挿入し、アレスター材の溶接を実施することを特徴とする、耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の溶接方法。
   アレスター材の板厚≧垂直部材の板厚×２／３
   アレスター材の板長≧垂直部材の板厚×２
2. 溶接継手に発生した脆性き裂の伝播を停止する耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体であって、
   前記溶接構造体の垂直部材の溶接継手で脆性き裂を停止させたい領域の垂直部材と溶接金属がくり抜かれた後、当該部分に脆性き裂が停止可能な下記を満足するアレスター材が挿入されて溶接されていることを特徴とする、耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体。
   アレスター材の板厚≧垂直部材の板厚×２／３
   アレスター材の板長≧垂直部材の板厚×２
   アレスター材のアレスト性能（Ｋｃａ）≧６０００Ｎ／ｍｍ^1.5
   

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