JP2013139047A

JP2013139047A - 鋼材の溶接接合部

Info

Publication number: JP2013139047A
Application number: JP2012000375A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ito; 浩資伊藤; Satoshi Kitaoka; 聡北岡; Hiromi Hirayama; 博巳平山
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2012-01-05
Publication date: 2013-07-18

Abstract

【課題】隅肉溶接による鋼材の溶接接合部において、溶接欠陥や溶接施工不良を防止することのできる鋼材の溶接接合部を提供する。
【解決手段】他方の鋼材３の先端両面に開先４を設け、開先内の溶接金属５の外側に、一方の鋼材２から前記他方の鋼材３の表面に達する略楕円弧状の表面を形成する補強盛溶接金属６を設ける。鋼材の溶接接合部１において、略楕円弧状の補強盛溶接金属６を設けることで、肉盛する溶接サイズの過大化を防ぐことができる。また、溶接接合部１の強度を確保するための余盛高さを確保しやすく、溶接金属の表面のビード不整を解消することができ、疲労破壊が生じにくくなる。さらに、鋼材３表面の開先端部Ｂ付近にアンダーカット等の溶接欠陥が生じにくく、脆性破壊を防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、隅肉溶接による鋼材のＴ字継手や十字継手などの溶接接合部において、溶接欠陥や溶接施工不良を防止可能にした溶接接合部に関するものである。

一般的に、鋼材のＴ字継手や十字継手などの溶接接合部では隅肉溶接が多用されている。従来技術として、例えば図３のように、鋼材に開先を設けず、一方の鋼材の両側に直角二等辺三角形の形状に溶接金属を肉盛する方法がある。

また、その改良法として、図４に示したように、一方の鋼材の両側に６０°程度の開先角度を設けて、正三角形の形状の溶接金属を肉盛する方法もある。

その他に、溶接継手に関する先行技術文献として、例えば特許文献１〜４がある。

特許文献１には、突合せ溶接すべき両部材の開先内を同部材よりも低強度の材料で溶接すると共に、開先内の溶接金属及び該溶接金属に隣接する該両部材の表面に更に溶接金属を肉盛し、前記開先内の溶接金属とこれに隣接する前記両部材の表面に肉盛された溶接金属とが連続してなる溶接継手が開示されている。

また、特許文献２には、溶接進行方向の前後に所定間隔で配置された先行電極と後行電極とにより１つの溶融池を形成しながら狭開先継手の初層溶接を行うガスシールドアーク溶接方法が開示されている。前記先行電極は、トーチ運棒をストリンガ運棒とするとともに、狙い位置を開先ルートとし、前記後行電極は、トーチ運棒を高速回転または高速揺動とするとともに、前記後行電極のアークセンサ信号により、前記先行電極および前記後行電極の溶接線倣い制御を行うガスシールドアーク溶接方法である。

特許文献３には、２つの部材を溶接して接合する継手の溶接方法において、前記２つの部材の少なくとも一方の部材の開先端に凹凸面を形成して、前記凹凸面を他方の部材に当接させて溶接する継手の溶接方法が述べられている。

特許文献４は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１％、Ｓｉ：０．１〜１．６％、Ｍｎ：０．５〜２％、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｎｂ：０．０５〜０．３％、Ａｌ：０．００１〜０．０５％、Ｔｉ：０．００１〜０．０５％、Ｍｇ：０．０００２〜０．００６％、Ｏ：０．０００１〜０．００８％、Ｎ：０．００２〜０．００８％、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、Ｃeq：０．４５％以下、Ｐcm：０．２％以下を満たし、粒子径０．００２〜５μｍの炭化物、窒化物、酸化物の単独もしくは複合粒子の１種又は２種以上を鋼中に分散し、溶接熱影響部組織の旧γ粒径が溶接入熱によらず１０〜２００μｍである高張力鋼からなる溶接継手であり、Ｍｓ温度が３５０℃以下１５０℃以上となる溶接金属によって、その溶接部の最終パスが形成されている溶接継手が開示されている。

特開昭６０−０２７４７４号公報特開２００９−０３９７２４号公報特開平０９−２６２６８９号公報特開２００２−３０９３３９号公報

図３に示した従来工法では、鋼材に開先を設けずに一方の鋼材の両側に直角二等辺三角形状の溶接金属を肉盛するため、継手強度を確保するための溶接サイズが非常に大きくなるという課題があった（図３（ａ）の（イ））。

その改良法である図４の従来工法では、正三角形状の溶接金属を肉盛するため、前記の溶接方法（図３）に比べ、同等の継手強度を得るために必要な溶接サイズを大幅に削減することが可能であった。

しかし、図３、図４の従来工法では、何層も溶接ビードを重ねて三角形状に溶接するため、溶接余盛表面はビードが波打ち、不整形な面となりやすい（図３（ａ），（ｂ）の（ハ）、図４（ａ）の（ハ））。また、継手強度確保に必要な余盛高さを確保しにくく（図３（ａ），（ｂ）の（ロ）、図４（ａ）の（ロ））、溶接余盛表面のビード不整を原因とした疲労破壊が生じやすいことが課題であった。

さらに、図４に示した従来工法では、鋼材の両側に開先を設けて溶接を行うが、鋼材表面の開先端部付近に脆性破壊の原因となるアンダーカット等の溶接欠陥（図４（ａ），（ｂ）の（ニ））が生じやすいことが課題であった。

本発明は、このような課題の解決を図ったものであり、隅肉溶接による鋼材の溶接接合部において、溶接欠陥や溶接施工不良を防止することのできる鋼材の溶接接合部を提供することを目的としたものである。

本発明は、一方の鋼材の側面に他方の鋼材の端部を突き合わせて隅肉溶接してなる鋼材の溶接接合部において、前記他方の鋼材の先端両面に開先を設け、前記開先内の溶接金属の外側に、前記一方の鋼材から前記他方の鋼材の表面に達する略楕円弧状の表面を形成する補強盛溶接金属を設けたことを特徴とするものである。

鋼材の溶接接合部において、前記開先内の溶接金属の外側に、補強盛溶接金属を前記一方の鋼材から前記他方の鋼材の表面に達する略楕円弧状の表面を形成することによって、肉盛する溶接サイズの過大化を防ぐことができる。

また、三角形状に何層も溶接ビードを重ねて溶接する必要がないため、表面を整形しやすく、継手の強度を確保するために必要な余盛高さを確保しやすい。よって、溶接金属の表面のビード不整を解消することができ、疲労破壊が生じにくくなる。

さらに、前記開先内の溶接金属の外側に、補強盛溶接金属を前記一方の鋼材から前記他方の鋼材の表面に達する略楕円弧状の表面を形成するため、鋼材表面の開先端部付近にアンダーカット等の溶接欠陥が生じにくく、脆性破壊を防ぐことができる。なお、アンダーカットを防止するために必要な鋼材の開先端部から補強盛溶接金属止端部までの長さ（図１のl）は、５ｍｍ程度以上あることが好ましい。

本発明に係る鋼材の溶接接合部において、前記補強盛溶接金属の最適形状は、平面歪み状態を仮定した極限解析による数値解析の結果により、縦横が２：１（図１で言う上下が縦の方向）の楕円弧形状となり、下記（１）式で示される。

d：開先深さ（ｍｍ）
a：補強盛溶接金属の余盛高さ（ｍｍ）
l：鋼材の開先端部から補強盛止端部までの長さ（ｍｍ）
q：開先角度（°）

なお、上記の（１）式は、任意の開先深さ：d、開先角度：qをもつ三角形ＯＡＢの溶接金属をもつ従来工法（図４）と同等以上の継手強度を有するように、本発明のＯＤＣＢの溶接金属をもつ継手の形状の最適化を行って、導出されたものである。

図２は、補強盛溶接金属の楕円弧を示したグラフであり、Ｏ（0，0）を中心として、Ｄ（0，a+d）、Ｃ（dtanq+l，d）、Ｅ（2(a+d)，0）を通る楕円である。ＯＢＦが開先内の溶接金属を示す部分であり、その外側のＣＦＤが補強盛溶接金属の部分を表している。

ここで、中心をＯとして、Ｄ、Ｅを通る楕円の式は、下記の（２）式で表せる。

（２）式にＣ（dtanq+l，d）を代入して、

となり、展開していくと、

の式を導くことができる。

本発明に係る鋼材の溶接接合部において、前記鋼材は引張強度５９０Ｎ／ｍｍ²以上の高強度鋼であり、前記開先内溶接金属および前記補強盛溶接金属の強度は溶接される前記鋼材に比べ低強度であることが望ましい。

引張強度が５９０Ｎ／ｍｍ²以上の高強度鋼材の溶接継手において、一般的に従来工法では、溶接金属の強度が鋼材母材と同等以上となる溶接材料を用いた場合、余熱等の管理が必要となり、溶接施工性の低下や溶接割れなどの溶接欠陥や溶接不良が問題となる。他方、鋼材母材より溶接金属の強度が低強度となる溶接材料を用いた場合、溶接施工性や溶接欠陥、溶接不良は改善されるが、継手強度の確保のため過大な溶接量が問題となる。

そこで、引張強度が５９０Ｎ／ｍｍ²以上の高強度鋼材の溶接継手に、本発明の溶接接合部を適用すれば、溶接施工性が良好で、溶接欠陥や溶接不良がなく、さらに溶接量を低減させる効果も得られる。

また、前記開先内溶接金属および補強盛溶接金属は、一体となった１つの溶接ビードにより構成されることができる。

例えば、エレクトロガスアーク溶接やサブマージ溶接などの１パス溶接を行う大入熱溶接では、被溶接鋼材の熱影響部（ＨＡＺ）の靭性低下が問題となりやすいが、本発明によれば溶接量の低減に伴い溶接入熱の低減も可能となるため、被溶接鋼材の熱影響部（ＨＡＺ）の靭性の改善効果も期待できる。さらに、上記の1パス溶接では補強盛溶接金属を滑らかな形状に仕上げやすいため、ビード不整を原因とした疲労破壊を生じにくくなる。

本発明に係る鋼材の溶接接合部は、以上のような構成からなるので、次のような効果が得られる。

(1)溶接される鋼材の両面に開先を設けて鋼材の開先内を溶接し、さらに当該鋼材の両表面に楕円弧状の補強盛溶接を実施することで、従来工法と同等以上の継手強度を確保するために必要な余盛高さが低くなり、それに伴い更なる溶接量の低減も可能となる。なお、鋼材の両表面に溶接を実施することにより溶接継手が対称となるので、偏心の問題はなく、反りが生じにくくなるというメリットもある。

(2)溶接される鋼材の表面に楕円弧状の補強盛溶接を行うことにより、補強盛表面を滑らかに仕上げやすくなるため、補強盛のビード不整に起因する疲労破壊を防止しやすくなる。さらに、鋼材表面の開先端部のアンダーカット等の溶接欠陥の防止も容易である。

(3)本発明の溶接接合部に引張強度が５９０Ｎ／ｍｍ²以上の高強度鋼材を適用すれば、溶接施工性が良好で、溶接欠陥や溶接不良がなく、溶接量も抑えられる。

(4)本発明は、溶接量の低減に伴い溶接入熱の低減も可能となるため、被溶接鋼材の熱影響部（ＨＡＺ）の靭性の改善効果も期待できる。

本発明に係る鋼材の溶接接合部の一実施形態を示した断面図である。図１の実施形態の補強盛溶接金属を拡大した説明図である。鋼材の溶接接合部に用いられる従来技術の一例を示しており、（ａ）が断面図、（ｂ）が拡大断面図である。図３の実施形態の改善案として用いられている従来技術の一例を示しており、（ａ）が断面図、（ｂ）が拡大断面図である。

以下、本発明の具体的な実施の形態について説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

本発明は、構造部材における鋼材のＴ字継手、十字継手などに適用できる。例えば、Ｔ字継手については鋼管柱と外ダイアフラムとの接合部や通しダイアフラムと梁フランジとの接合部、溶接組み立てＨ形鋼（ＢＨ）部材におけるフランジとウェブの溶接部などである。

図１には、本発明に係る鋼材の溶接接合部１をＴ字継手に実施した例を断面図で示した。一方の鋼材２に他方の鋼材３の端部をＴ字状に付き合わせて接合したものであり、鋼材３の先端に、開先４（ＯＢ）を設けている。

開先４は、開先角度q、開先深さd（ＯＦ）とし、開先部分ＯＢＦ内に金属を溶接し、開先内溶接金属５とした。開先内溶接金属５の外側には、一方の鋼材２から他方の鋼材３にかけて形成している略楕円弧状ＦＢＣＤに金属を溶接し、補強盛溶接金属６を設けている。開先内溶接金属５と補強盛溶接金属６は、偏心や反りを防ぐために、鋼材３の両側面に設け、溶接継手を対称にするとよい。

図２に、図１に示した補強盛溶接金属６の拡大断面図を示した。ただし、図１と図２では、縦と横が逆になっている。

補強盛溶接金属６の楕円弧は、開先内溶接金属５のＢ（dtanq，d）よりＸ方向にl外側のＣ（dtanq+l，d）と、Ｆ（0，d）からＹ方向にａ外側のＤ（0，a+d）を結ぶ線である。よって、中心をＯ（0，0）として、Ｄ，Ｃ，Ｅを通る楕円の式は、下記の（２）式で表せる。

となり、つまりは

という式で表すことができる。

ただし、溶接金属のアンダーカットを防止するために、鋼材の開先端部Ｂから補強盛溶接金属止端部Ｃまでの長さlは、５ｍｍ以上であることが好ましい。また、初層でのブローホール等の溶接欠陥や割れを防止するため、溶接される鋼材に設けられる開先角度qは４５〜６０°程度がよい。

溶接金属は、例えば、図４の従来工法の場合、図１で示すＡＦの高さの補強盛高さaが必要であったが、本発明を適用すると補強盛高さaはＤＦとなる。よって、溶接金属の必要な補強盛高さaが低くなり、それに伴い、溶接サイズを減少させることができ、溶接量を抑えることができる。

また、補強盛溶接金属６の表面が楕円弧状であることは、従来工法（図３，４）の直線状の表面よりも、滑らかに仕上げやすく、結果的に、溶接余盛表面のビート不整を原因とした疲労破壊を生じにくくしている。

一般的に、使用する鋼材の強度について、通常引張強度が５９０Ｎ／ｍｍ²以上である高強度鋼材の溶接接合部では、溶接金属の強度が鋼材母材と同等以上となる溶接材料で溶接すると、余熱等の管理が必要となり、溶接施工性の低下や溶接欠陥、溶接不良などの問題が挙げられる。

他方、溶接金属の強度が鋼材母材より低強度となる溶接材料で溶接した場合には、上記の問題は改善されるが、従来工法（図３，４）を適用すれば継手強度の確保のためには溶接量が過大となる。

そこで、特に本発明を引張強度が５９０Ｎ／ｍｍ²以上の高強度鋼材と鋼材母材に対して溶接金属の強度が低強度となる溶接材料からなる溶接接合部に適用すれば、溶接量を抑えながら、溶接施工性の低下や溶接欠陥、溶接不良の問題も同時に解決できるため、極めて有用である。

なお、本発明は、溶接金属が鋼材母材と同等以上の強度を有する一般的なオーバーマッチングにも、鋼材母材より溶接金属の強度が低いアンダーマッチングのどちらにも適用することができる。

また、開先内溶接金属５および補強盛溶接金属６は複数の溶接ビードで構成されたものでもよく、両者が1つの溶接ビードで構成されていてもよい。

そのため、溶接接合部１の溶接方法は、炭酸（ＣＯ₂）ガスアーク溶接などの多層盛溶接だけでなく、エレクトロガスアーク溶接やサブマージアーク溶接などの１パス溶接を行う大入熱溶接にも用いることができる。

１…溶接接合部（Ｔ字継手）、
２…一方の鋼材、
３…他方の鋼材、
４…開先、
５…開先内溶接金属、
６…補強盛溶接金属、
７…溶接金属、
ａ…補強盛高さ、
ｄ…開先深さ、
θ…開先角度、
ｌ…開先端部から補強盛止端部までの長さ

Claims

一方の鋼材の側面に他方の鋼材の端部を突き合わせて隅肉溶接してなる鋼材の溶接接合部において、前記他方の鋼材の先端両面に開先を設け、前記開先内の溶接金属の外側に、前記一方の鋼材から前記他方の鋼材の表面に達する略楕円弧状の表面を形成する補強盛溶接金属を設けたことを特徴とする鋼材の溶接接合部。
前記補強盛溶接金属の形状が下記条件を満足することを特徴とした請求項１に記載の鋼材の溶接接合部。

ｄ：開先深さ（ｍｍ）
ａ：補強盛溶接金属の余盛高さ（ｍｍ）
ｌ：鋼材の開先端部から補強盛止端部までの長さ（ｍｍ）
θ：開先角度（°）
前記鋼材が引張強度５９０Ｎ／ｍｍ²以上の高強度鋼であり、かつ前記開先内溶接金属および前記補強盛溶接金属の強度が溶接される前記鋼材に比べ低強度であることを特徴とした請求項１または２に記載の鋼材の溶接接合部。
前記開先内溶接金属および補強盛溶接金属が１溶接ビードで形成されていることを特徴とする請求項１、２または３記載の鋼材の溶接接合部。