JP2015120172A

JP2015120172A - 溶接割れ導入試験体及び溶接割れ導入方法

Info

Publication number: JP2015120172A
Application number: JP2013264169A
Authority: JP
Inventors: 康生村井; Yasuo Murai; 哲哉橋本; Tetsuya Hashimoto
Original assignee: SHINKO YOSETSU SERVICE KK
Current assignee: SHINKO YOSETSU SERVICE KK
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-07-02
Anticipated expiration: 2033-12-20
Also published as: JP6140068B2

Abstract

【課題】割れ状欠陥の寸法、形状、発生位置、数量、方向等を高精度で制御することができると共に、自然の溶接欠陥を導入することができ、非破壊試験の検出性能を高精度で検証することができる溶接割れ導入試験体及び溶接割れ導入方法を提供する。
【解決手段】溶接割れ導入試験体は、ボロン含有粉末を含んで鋼材を溶接することにより、ボロン含有量が０．０３乃至２質量％の溶接金属部を得ると共に、前記溶接金属部に割れ状欠陥を導入したものである。溶接金属部の平均硬さは、ビッカース硬さで４００乃至７００Ｈｖである。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼材の溶接部に対する非破壊試験の検出性能を検証するための溶接割れ導入試験体及び溶接割れ導入方法に関する。

超音波探傷試験、磁粉探傷試験、浸透探傷試験等の非破壊試験の検出性能を検証するための試験体として、融合不良、溶け込み不良、高温割れ、ブローホール及びスラグ巻き込み等の種々の欠陥を導入したものが使用されている。特に、割れ状欠陥を導入した試験体は、非破壊試験技術の検出性能を検証するための主要な素材であり、そのニーズが高い。

従来、このような試験体を製造するための割れ導入方法としては、例えば、図７（ａ）に示すように、母材３同士をすみ肉溶接した溶接金属２に対し、放電加工することにより、割れ１を形成したり、又は図７（ｂ）に示すように、母材３に対して、放電加工することにより、割れ１を形成することにより、欠陥を導入したものがある。また、図８に示すように、母材３に対し、例えば、Ｖ字開先を形成し、この開先に、消耗電極式アーク溶接方法により、比較的高電流・高速溶接の条件で溶接金属２を盛りつけ、この高電流・高速溶接の条件で溶接することにより、溶接金属２に所謂梨型割れ１を発生させたものがある。また、溶接材料に、Ｓ，Ｐ及びＢｉ等の低融点化合物を生成しやすい元素を添加して、溶接金属中に低融点化合物を生成することにより、凝固割れを発生させる方法がある。

なお、溶接割れを防止する技術として、溶接金属中に溶け込んだボロンの影響を検討した技術があり、特許文献１においては、ステンレス鋼の溶接割れを防止するために、溶接材料中に積極的にボロンを添加して、溶接金属中のボロンを増加させている。

特開平７−２６８５６４号公報

しかしながら、図７に示す放電加工により割れ欠陥を導入する方法は、導入された欠陥が、あくまで、人工欠陥であることから、欠陥の平面寸法については、極めて高精度のものが得られるものの、欠陥の形状が、割れ面が平坦であったり、割れ状欠陥の間隙が０．２５ｍｍ以上と広いものであって、自然の溶接欠陥とは異なる性状となるため、非破壊試験技術の検出性能を検証するという目的からは、好ましい試験体とはいえないという問題点がある。

図８に示す消耗電極式アーク溶接による梨型割れ状の欠陥発生方法は、溶接条件によっては、割れが発生しなかったり、割れ状欠陥が発生した場合であっても、割れの高さＨｃがばらついたりして、溶接金属２の溶け込み深さＰの全体に割れが生じることがない。更に、割れ１を溶け込み深さＰのどの範囲に発生されるかを制御することも困難であるため、寸法精度が優れた割れ状欠陥を導入することが困難である。

溶接材料又は溶接部に、Ｓ，Ｐ、Ｂｉ等の低融点化合物を生成しやすい元素を添加して、凝固割れを発生させる方法は、図９に示すように、割れ１が、溶接金属２の凝固組織に沿って放射状又は網目状に複数個発生するため、割れ１の方向、寸法、数量、及び発生位置を殆ど制御することができないという問題点がある。

このように、従来の割れ欠陥の導入方法においては、割れの寸法精度を確保しやすい方法は、得られる割れが人工欠陥であり、自然溶接欠陥ではないため、非破壊試験における検出性能の検証には不向きである。一方、自然溶接欠陥を導入する方法は、割れ状欠陥の寸法、形状、発生位置、数量、方向等を高精度で制御することができない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、割れ状欠陥の寸法、形状、発生位置、数量、方向等を高精度で制御することができると共に、自然の溶接欠陥を導入することができ、非破壊試験の検出性能を高精度で検証することができる溶接割れ導入試験体及び溶接割れ導入方法を提供することを目的とする。

本発明に係る溶接割れ導入試験体は、
ボロン含有粉末を含んで鋼材を溶接することにより、ボロン含有量が０．０３乃至２質量％の溶接金属部を得ると共に、前記溶接金属部に割れ状欠陥を導入したものであることを特徴とする。

この溶接割れ導入試験体は、前記割れ状欠陥を導入した溶接金属部の平均硬さが、ビッカース硬さで４００乃至７００Ｈｖであることが好ましい。

また、本発明に係る溶接割れ導入方法は、
鋼材の溶接対象部にボロン含有粉末を散布して、このボロン含有粉末を含む領域を、レーザ溶接法又は電子ビーム溶接法により溶接することにより、ボロン含有量が０．０３乃至２質量％の溶接金属部を得ると共に、前記溶接金属部に割れ状欠陥を導入することを特徴とする。

本発明によれば、レーザ溶接又は電子ビーム溶接等の溶接により割れ状欠陥を導入するので、自然溶接欠陥を導入することができる。また、本発明によれば、割れ状欠陥の寸法、形状、発生位置、数量、方向等を高精度で制御することができる。

本発明の実施形態の試験体を示す正面断面図である。同じくその実施形態の実施方法を示す斜視図である。本発明の他の実施形態の試験体の素材を示す正面断面図である。同じくその実施方法を示す正面断面図である。同じくその試験体を示す正面断面図である。本発明の効果を説明する図であり、（ａ）は溶接金属部の正面断面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ｂ）の継手溶接方向に沿う縦断面図、（ｄ）は正面断面図である。従来の割れ導入方法を示す図であり、（ａ）はすみ肉溶接によるもの、（ｂ）は放電加工によるものを示す。Ｖ字開先に消耗電極式アーク溶接により割れを導入する従来方法を示す図である。従来の凝固割れを発生させる方法を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る試験体を示す模式図、図２はその割れ状欠陥の導入方法を示す模式図である。図２に示すように、母材３の上に、ボロン含有粉末４を散布し、その上から、レーザビーム６を照射して、レーザ溶接する。又は、電子ビームにより電子ビーム溶接を行う。この溶接に際し、レーザビーム６を方向７に移動させて、溶接ビード５を形成する。図１は、この溶接ビード５の長手方向に直交する断面である。溶接ビード５を構成する溶接金属２には、溶接金属２の溶け込み深さＰに相当する長さの割れ１が発生する。

本願発明者等は、この溶接金属２の中のボロンの含有量が０．０３乃至２質量％になるように、散布するボロン含有粉末の量を規定することにより、溶接金属２の中に割れ１を形成することができると共に、この割れ１を溶接金属２の深さ方向に延びるように形成することができ、割れ１の長さを溶接金属２の溶け込み深さＰに相当する（ほぼ一致する）ものとすることができることを見出した。本発明は、このような知見にたって完成されたものである。

母材３の上にボロン含有粉末４を散布して、母材３の鋼材と共にボロン含有粉末を、レーザ溶接により溶解すると、溶融金属中にボロンが溶け込み、溶融金属が凝固するときに、溶接金属中のボロンの効果により、溶接金属のフェライト変態及び上部ベーナイト変態を抑制し、低い温度でのマルテンサイト変態を促進すると共に、延性が劣る溶接金属を生成することができる。これにより、溶接部（溶接金属２)の溶け込み深さ全域にわたり、縦割れ１を発生させることができる。従って、溶接条件を調節して、溶接部（溶接金属２）の溶け込み深さＰを調節することにより、結果的に、縦割れ１の長さを所望のもの（溶け込み深さＰ）に調節することができる。

図６（ａ）は溶接金属部の正面の縦断面図、図６（ｂ）は平面図、図６（ｃ）は図６（ａ）に垂直の方向の縦断面図である。図６（ａ）に示すように、レーザビームを矢印方向（溶接方向）に移動させて、ボロン粉末４の存在下で溶接すると、前述の如く、溶接金属２の溶け込み深さＰに対応する長さの割れ１が発生する。この割れ１がレーザビームの移動方向（溶接方向）に直線状に並んで多数形成される。この割れ１の発生位置は、溶接金属断面における中央であり、割れ１は断面全域にわたって発生する。溶接割れ導入試験体としては、図１及び図２に示すように、溶接線方向の割れが主体であるが、図６（ｂ）に示すように、図６（ａ）で形成したような溶接線を、継手溶接方向に移動させていくことにより、溶接線に直交する方向に、２次元的な領域に割れ１を形成することができる。このようにして、本実施形態によれば、割れ１の長さ、発生位置、数量、方向等を、任意に調節することができる。

溶け込み深さＰは、レーザ溶接の場合は、レーザ出力及び溶接速度を主体として溶接条件を選定することにより、制御することができ、電子ビーム溶接の場合は、加速電圧、ビーム電流及び溶接速度を選定することにより、制御することができる。

また、この割れ状欠陥を導入した溶接金属２は、その平均硬さが、ビッカース硬さで４００乃至７００Ｈｖであることが好ましい。これは、溶接金属２の硬さが、ビッカース硬さで４００Ｈｖ以上と高い方が、溶接金属２に縦割れ１が生成しやすいからである。

本実施形態においては、レーザ溶接又は電子ビーム溶接等の溶接条件を適宜選定することにより、形成される溶接金属の溶け込み深さＰを所望の値に制御する。このとき、溶接金属中のボロン含有量が０．０３乃至２質量％となるように、母材（鋼材）の上に散布するボロン含有粉末の量を調節することにより、得られた溶接金属２は、延性が劣るものとなり、溶接金属２の深さ方向の全域、即ち、溶接金属２の溶け込み深さＰの全域にわたる縦割れ１を生成することができる。これにより、割れ１の長さを所定値に制御することができ、長さが所定値に制御された自然溶接割れを鋼材に導入することができる。

溶接金属のボロン含有量が０．０３質量％未満であると、溶接金属のミクロ組織が完全マルテンサイトにならず、硬さが不足して、割れを誘発しない。一方、ボロン含有量が２質量％を超えると、溶接金属の延性が極度に低下し、所謂ガラス状になるため、割れが縦方向及び横方向のランダムに発生する。よって、溶接金属のボロン含有量は、０．０３乃至２質量％とする。更に、前述のごとく、溶接金属２の平均硬さを、ビッカース硬さで、４００乃至７００Ｈｖにすることにより、溶接金属２に縦割れ１を形成しやすくなる。ボロン含有量とも関連するが、ビッカース硬さが４００Ｈｖ未満であると、完全マルテンサイトにならず、硬さが不足して、割れを誘発しない。また、ビッカース硬さが７００Ｈｖを超えると、溶接金属の延性が極度に低下し、割れが縦横に発生する。従って、溶接金属２の平均硬さは、４００乃至７００Ｈｖであることが好ましい。

次に、本発明の他の実施形態について、説明する。本実施形態は、割れを鋼材（母材）の内部に形成し、内部に割れが封入されている試験体を得るものである。図３乃至図５は、この鋼材内部に割れが封入された試験体を製造する工程を示す図である。例えば、鋼種がＪＩＳＳＭ４９０の鋼材を使用し、この鋼材から、例えば、厚さが３２ｍｍ、幅が２００ｍｍ、長さが３００ｍｍの試験片を切り出して母材３とする。そして、図３に示すように、この母材３の表面にＶ字状の開先８を形成する。この開先８の開先角度は、例えば、６０°、ルート間隔（開先間隙）ｘは６ｍｍ、開先深さｙは１２ｍｍである。また、この試験体の厚さｔは、例えば、３２ｍｍである。

このように、母材３の片面に上述の開先を形成した上で、図４に示すように、開先ルート上にボロン含有粉末４を散布し、例えば、溶接速度が１ｍ／分、レーザ出力が８ｋＷの条件で、レーザビーム６を照射してレーザ溶接を行い、縦割れ１を発生させる。

その後、図５に示すように、開先８の残部に、アーク溶接によって溶融金属（溶接ビード５）を充填して、割れ１をこの開先内に封入する。このようにして、割れ１を母材３内に封入することができる。しかも、この割れ１は、溶接金属の溶け込み深さに対応する長さを有するものであり、従って、この割れ１の長さを所望の長さに制御することができる。

次に、本発明の実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して、その効果を説明する。先ず、ボロン含有粉末の散布によるレーザ溶接試験の結果について説明する。母材として、ＪＩＳＳＭ４９０の鋼材を使用し、厚さが２５ｍｍ、幅が１５０ｍｍ、長さが３００ｍｍの試験片に調整した。この試験片に対し、レーザ溶接によるビードオンプレート溶接を行い、溶接金属部の割れの有無及び割れ高さを調査した。溶接に際し、溶接対象部位にボロン含有粉末を約１ｍｍの高さに散布した実施例１と、ボロン含有粉末を散布しなかった比較例とについて、溶接を行った。溶接試験方法は、前述の図２に示すものである。ボロン含有粉末の組成は、Ｆｅ−２０質量％Ｂ−残部不純物のフェロボロンである。このボロン含有粉末の粒径は、５０〜１５０μｍである。

下記表１は、レーザ溶接条件、断面マクロ試験による溶け込み深さの測定結果、割れの有無及び割れの長さを示す。断面マクロ試験は、溶接線に垂直の方向の溶接部の断面を切断し、マクロ試験用の試料を採取した。この試料を＃１２００程度の研磨紙で湿式研磨した後、バフ研磨した上で、５％硝酸−アルコール溶液でエッチングした。そして、デジタル投影機で割れの有無を観察し、更に、割れの長さを観察した。

上記表１に示すように、ボロン含有粉末を約１ｍｍの高さに散布し、溶接金属部のボロン含有量を、０．０３乃至２質量％にすることにより、割れが発生し、この割れは、その長さが、溶け込み深さとほぼ一致するものであった。この溶け込み深さは、レーザ出力等の溶接条件により制御することができるので、この表１の結果は、結果的に、割れの長さを制御することができることを示している。

なお、溶接ビードの表面の浸透探傷試験の結果、割れが発生した溶接ビードにおいては、いずれも溶接割れが溶接金属部の全長にわたる１本の縦割れが発生していた。

また、下記表２は、上記実施例（Ｎｏ．１〜１１）及び比較例（Ｎｏ．１２〜１４）のミクロビッカース硬さ試験の測定結果を示す。この試験は試験荷重が０．５ｋｇで、３点の平均値である。

この表２に示すように、ボロン含有粉末を散布して割れが発生した実施例（Ｎｏ．１〜１１）は、ミクロビッカース硬さが４２０〜６３５Ｈｖという高い値を示しており、ボロン含有粉末を散布しない比較例（Ｎｏ．１２〜１４）は、ミクロビッカース硬さが２８０〜３０５Ｈｖと低い値を示している。換言すれば、溶接金属部の硬さが、ビッカース硬さで、４００乃至７００Ｈｖに入る溶接金属においては、表１に示すように溶接金属部の溶け込み深さに対応する長さの割れが発生することがわかる。

次に、溶接金属のボロン含有量と割れ発生との関係について試験した結果について説明する。実施例１と同様の鋼種の母材を使用して、ボロン含有粉末の散布量及びレーザ溶接条件を変化させて、ビードオンプレート溶接試験を行い、割れ発生の有無を調べ、溶接金属のボロン含有量を分析した。下記表３は、割れ発生の有無及び溶接金属のボロン含有量の分析結果を示す。

この表３に示すように、溶接金属のボロン含有量が０．０３乃至２質量％の範囲に入る場合は、溶接金属２に図１に示すような縦割れ１が発生し、溶接金属の溶け込み深さに対応する長さの割れ１が得られた。しかし、溶接金属のボロン含有量が上記範囲よりも少ない場合は、割れが発生せず(比較例（Ｎｏ．１９）、ボロン含有量が上記範囲より多い場合は、縦割れ以外に横割れも多発し、所望の形態の割れが得られず、従って、割れの長さを調節することができなかった（比較例Ｎｏ．２７，２８）。

次に、電子ビーム溶接による割れ形成試験の結果について説明する。実施例１と同様の鋼種の母材を使用して、電子ビーム溶接によるビードオンプレート溶接試験を行い、溶接金属部の割れの有無及び割れ高さを調査した。溶接に際して、溶接対象部位にボロン含有粉末を高さが約１ｍｍになるように散布したものと、散布しないものとを用意し、溶接に先立つ脱気工程で粉末が飛散しないように防護カバーを設けた。

そして、下記表４に示す電子ビーム溶接条件で溶接を行い、断面マクロ試験による溶け込み深さの測定、割れの有無、及び割れ高さの測定を行った。その結果を表４に合わせて示す。

この表４に示すように、電子ビーム溶接においても、ボロン含有粉末を含めて溶接することにより、溶接金属中に所定の量のボロンを含有させることによって、溶け込み深さと割れ高さとがほぼ一致する割れを、溶接金属中に形成することができた。

本発明によれば、溶接により生じた自然な割れを、母材（鋼材）に導入することができ、しかも、このとき、溶接条件により制御可能な溶接金属の溶け込み深さを調節することにより、割れの方向及び長さを制御することができるので、高精度で所望の大きさ及び形態の割れをもつ溶接割れ導入試験体を、得ることができる。このため、本発明は、超音波探傷試験，磁粉探傷試験、浸透探傷試験等の種々の非破壊試験において、機器の検出性能を検証するための高精度の試験体を、容易に提供することができる。

１：割れ
２：溶接金属
３：母材
４：ボロン粉末
５：溶接ビード
６：レーザビーム
７：方向

Claims

ボロン含有粉末を含んで鋼材を溶接することにより、ボロン含有量が０．０３乃至２質量％の溶接金属部を得ると共に、前記溶接金属部に割れ状欠陥を導入したものであることを特徴とする溶接割れ導入試験体。
前記割れ状欠陥を導入した溶接金属部の平均硬さが、ビッカース硬さで４００乃至７００Ｈｖであることを特徴とする請求項１に記載の溶接割れ導入試験体。
鋼材の溶接対象部にボロン含有粉末を散布して、このボロン含有粉末を含む領域を、レーザ溶接法又は電子ビーム溶接法により溶接することにより、ボロン含有量が０．０３乃至２質量％の溶接金属部を得ると共に、前記溶接金属部に割れ状欠陥を導入することを特徴とする溶接割れ導入方法。