JP4546995B2 - 耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手及び溶接構造体 - Google Patents

Description

本発明は、溶接継手内部に発生した脆性き裂の伝播を抑制するか又は止める特性、即ち、耐脆性き裂伝播特性に優れた多パス突合せ溶接継手、及び、該溶接継手を有する溶接構造体に関する。

鋼板を溶接して溶接構造体を建造する場合、建造コストの低減や、溶接施工能率の向上のため、通常、大入熱溶接方法を用いるが、大入熱溶接方法で形成した溶接継手においては、溶接熱影響部（以下「ＨＡＺ部」ということがある）の靭性が低下するし、また、ＨＡＺ部の幅が増大して、破壊靭性値Ｋc（脆性破壊に係る指標）も低下する。

溶接継手の破壊は、溶接時に形成された欠陥に応力が集中して、該欠陥を起点にき裂が発生し、このき裂が、溶接継手内を伝播して起きる。溶接継手の破壊靭性値Ｋcが低いと、き裂が発生し易く、かつ、き裂の伝播は速いので、突発的に、溶接継手の破壊が起きることになる。即ち、溶接継手が脆性破壊する。

溶接継手の脆性破壊を防止するためには、（ｉ）き裂の発生を抑制する、及び、（ii）発生したき裂の伝播を抑制するか又は止めることが必要である。そのため、これまで、溶接部において靭性を確保する溶接方法が、数多く提案されている。

例えば、厚手大径溶接鋼管の溶接方法であるが、Ｘ開先において、初層を、ＭＩＧ溶接で溶接し、その後、表層と裏層を、サブマージ溶接で溶接して、板厚全体を溶接する溶接方法が提案されている（特許文献１、参照）。

上記溶接方法は、ＭＩＧ溶接の際、サブマージ溶接で用いる溶接ワイヤよりＮｉ量が多い溶接ワイヤを用い、溶接割れが発生し易く、靭性の確保が困難な初層溶接部において、サブマージ溶接部と同等の靭性を確保し、溶接部の板厚方向における靭性分布を平坦にするものであるが、そのために、Ｎｉを多量に含む高価な溶接ワイヤを、ＭＩＧ溶接部に使用せざるを得ないという難点がある。

そこで、本出願人は、上記（ｉ）の観点に立ち、破壊靭性値Ｋcを充分に高める手法を見出し、耐脆性破壊発生特性に優れた大入熱突合せ溶接継手を提案し（特許文献２及び３、参照）、また、破壊靭性値Ｋcに基いて、大入熱突合せ溶接継手の耐脆性破壊発生特性を適確に検証する検証方法を提案した（特許文献３、参照）。

本出願人が提案した上記溶接継手は、脆性破壊が発生し難く、溶接構造物の安全性を高めることができる点で、有用なものであり、また、上記検証方法は、脆性破壊が発生し難い溶接継手を設計する上で、有用なものである。

しかし、通常の応力負荷環境でき裂が発生しないように設計した溶接継手においても、突発的又は衝撃的な応力や、不規則で複雑な応力を受けて、き裂が発生することがある。

従来、板厚が２５ｍｍ程度のＴＭＣＰ鋼板を突合せ溶接継手において、脆性き裂は、溶接継手内部の残留応力の作用により、母材側に逸れていくので、母材の耐脆性き裂伝播特性を高めれば、溶接継手内部で発生した脆性き裂を母材に誘導して停止させることができると考えられていた。

例えば、溶接部全体における残留応力を低減するため、多量（例えば１１％）のＮｉを含む変態温度の低い溶接材料を部分的に用い、オーステナイトからマルテンサイト変態する溶接パスを利用する溶接方法が提案されている（特許文献４、参照）。しかし、この溶接方法による溶接部は、組織がマルテンサイト組織であるので、強度が極めて高く、結局、多量のＮｉを含有する溶接部であっても、Ｎｉを含有しない周辺溶接部より、靭性が低い場合が多い。

そして、近年、溶接構造物の大型化や、構造の簡素化に伴い、設計応力を高く設定することができることから使用され始めた高張力厚鋼板の場合、突合せ溶接継手で発生した脆性き裂は、溶接継手の破壊抵抗値の程度によっては、母材側に逸れず、ＨＡＺ部に沿って伝播することが、本発明者の破壊試験の結果、判明した（非特許文献１、参照）。

また、本発明者は、板厚が、例えば、７０ｍｍ以上の鋼板の場合、溶接継手には、板厚方向に大きな靭性分布が形成され、脆性き裂が、例え、溶接継手に交差して補強板を隅肉溶接していても、該補強板で捕捉されず、溶接金属部又はＨＡＺ部に沿って伝播し、溶接継手が破壊に至ることが判明した。

そこで、本発明者は、上記判明事実を踏まえ、垂直部材の突合せ溶接継手と水平部材の隅肉溶接継手が交差する領域の一部又は全部を除去し、補修溶接により、圧縮残留応力を有するＮｉ含有量２．５質量％以上の靭性に優れた溶接金属（特許文献５、参照）、又は、アレスト性能（Ｋ_Ca値）が２０００Ｎ／ｍｍ^{1 .5}以上の破壊靭性の優れた溶接金属（特許文献４、参照）を形成し、脆性き裂が垂直部材の突合せ溶接部の長手方向に沿って伝播した場合でも、このき裂伝播方向を、高靭性または高アレスト性能の溶接金属周囲に逸らし、き裂の伝播を水平部材の母材部で停止させることができる脆性き裂伝播停止能に優れた溶接継手及び溶接方法を提案した。

これらの方法は、主に１パス大入熱突合せ溶接継手において、ＦＬ（溶接金属と母材熱影響部との境界）に沿って伝播するき裂を、アレスト性能が高い鋼板側に逸らして母材内で停止させることにより、突合せ溶接継手の安全性を向上するものである。

しかし、本発明者は、多層盛突合せ溶接継手の大型破壊試験の結果から、多層盛突合せ溶接継手では、き裂が溶接金属内部で伝播するため、従来の１パス大入熱突合せ溶接継手で有効であった方法を適用しても、多層盛突合せ溶接継手では十分な効果が得られないことを確認した。

このため、板厚５０ｍｍ以上の鋼板の多層盛突合せ溶接継手において発生した脆性き裂を確実に停止し、突合せ溶接継手の大規模損傷を回避する技術が必要である。

特開昭５３−１３０２４２号公報 特開２００５−１４４５５２号公報 特開２００６−０８８１８４号公報 特開２０００−３３４８０号公報 特開２００５−１１１５２０号公報 特開２００６−０７５８７４号公報 溶接構造シンポジウム講演概要集２００６、ｐ．１９５〜２０２

本発明は、鋼板を多パスで突合せ溶接する際、溶接継手内部に、万一、脆性き裂が発生しても、脆性き裂が伝播し難く、かつ、伝播してもいずれ停止する特性、即ち、耐脆性き裂伝播特性に優れた溶接継手を形成することを課題とする。そして、本発明は、上記課題を解決し、耐脆性き裂伝播特性に優れた溶接継手、及び、該溶接継手を有する溶接構造体を提供することを目的とする。

本発明者は、上記判明事実を踏まえ、上記課題を解決する手法について鋭意研究した。その結果、（ｘ）多パス溶接継手の表面と裏面に、破壊抵抗特性が、他の溶接層の破壊抵抗特性より優れた溶接層（表面溶接層と裏面溶接層）を形成すれば、該溶接層で、脆性き裂の溶接継手の長手方向における伝播を止めることができることを見いだした。

また、（ｙ）上記表面溶接層と裏面溶接層の間に、少なくとも一層、破壊抵抗特性が他の溶接層の破壊抵抗特性より優れた溶接層（破壊抵抗層）を形成すれば、脆性き裂の溶接継手の長手方向における伝播を抑制し止めることができることを見いだした。

さらに、（ｚ）上記表面溶接層と裏面溶接層の間において、破壊抵抗特性が、周囲の溶接金属の破壊抵抗より低い溶接金属の溶接パス部を、二つ以上、相互に離間して配置すれば、脆性き裂の溶接継手の長手方向における伝播を抑制し止めることができることを見いだした。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。

（１）鋼板の突合せ多パス溶接継手において、該溶接継手の表面溶接層と裏面溶接層の破壊抵抗特性が、他の溶接層の破壊抵抗特性より優れていることを特徴とする耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（２）前記表面溶接層及び裏面溶接層が、他の溶接層を形成する溶接金属のＮｉ量より１％以上多いＮｉ量の溶接金属で形成されていることを特徴とする上記（１）に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（３）前記表面溶接層及び裏面溶接層が、溶接継手の長手方向に連続して存在することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（４）前記表面溶接層及び裏面溶接層が、溶接継手の長手方向に断続して存在することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（５）前記表面溶接層及び裏面溶接層が、溶接継手の長手方向に、長さ：３００ｍｍ以上、存在することを特徴とする上記（４）に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（６）前記表面溶接層及び裏面溶接層が、溶接継手の長手方向に、間隔：４００ｍｍ以下で断続して存在することを特徴とする上記（４）又は（５）に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（７）前記表面溶接層と裏面溶接層の間の少なくとも一つの溶接層が、他の溶接層より優れた破壊抵抗特性を有することを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（８）前記一つの溶接層が、複数の溶接パスにより、溶接継手の幅方向にわたり連続して形成されたものであることを特徴とする上記（７）に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（９）前記一つの溶接層が、他の溶接層を形成する溶接金属のＮｉ量より１％以上多いＮｉ量の溶接金属で形成されていることを特徴とする上記（７）又は（８）に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（１０） 前記一つの溶接層が、他の溶接層を形成した溶接方法と同じ溶接方法で形成した溶接層であることを特徴とする上記（９）に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（１１） 前記溶接層の組織が、マルテンサイト変態が起きていない組織であることを特徴とする上記（９）又は（１０）に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（１２）前記一つの溶接層が、溶接継手の長手方向に連続して存在することを特徴とする上記（７）〜（９）のいずれかに記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多層溶接継手。

（１３）前記一つの溶接層が、溶接継手の長手方向に断続して存在することを特徴とする上記（７）〜（１２）のいずれかに記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（１４）前記一つの溶接層が、溶接継手の長手方向に、長さ：２００ｍｍ以上、存在することを特徴とする上記（１３）に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（１５）前記一つの溶接層が、溶接継手の長手方向に、間隔：４００ｍｍ以下で断続して存在することを特徴とする上記（１３）又は（１４）に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（１６）前記表面溶接層と裏面溶接層の間に、破壊抵抗特性が、周囲の溶接パス部の破壊抵抗特性より劣る溶接パス部が、二つ以上、相互に離間して存在することを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（１７）前記破壊抵抗特性が劣る溶接パス部が、溶接継手の形成に必要な全パス数の１／３以下の数、存在することを特徴とする上記（１６）に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（１８）前記破壊抵抗特性が劣る溶接パス部が、溶接継手の板厚方向に、相互に離間して存在することを特徴とする上記（１６）又は（１７）に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（１９）前記破壊抵抗特性が劣る溶接パス部が、溶接継手の長手方向に連続して存在することを特徴とする上記（１６）〜（１８）のいずれかに記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（２０）前記破壊抵抗特性が劣る溶接パス部が、溶接継手の長手方向に断続して存在することを特徴とする上記（１６）〜（１８）のいずれかに記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（２１）前記破壊抵抗特性が劣る溶接パス部の溶接継手の長手方向における長さが１００ｍｍ以上４００ｍｍ以下であることを特徴とする上記（２０）に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（２２）前記破壊抵抗特性が劣る溶接パス部が、溶接継手の長手方向で、２００ｍｍ以上４００ｍｍ以下の間隔で断続して存在することを特徴とする上記（２０）又は（２１）に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（２３）前記破壊抵抗特性が劣る溶接パス部が、１回、又は、複数回のパスで形成されたものであることを特徴とする上記（１６）〜(２２)のいずれかに記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（２４）前記破壊抵抗特性が劣る溶接パス部が、他の溶接パス部を形成する溶接材料のＮｉ量より１％以上少ないＮｉ量の溶接材料で形成した溶接パス部であることを特徴とする上記（１４）〜(２１)のいずれかに記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（２５）前記破壊抵抗性が劣る溶接パス部が、他の溶接パス部を形成した溶接方法と同じ溶接方法で形成した溶接層であることを特徴とする上記（２４）に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（２６）前記他の溶接パス部の組織が、マルテンサイト変態が起きていない組織であることを特徴とする上記（２４）又は（２５）に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（２７）前記破壊抵抗特性が劣る溶接パス部が、後続の溶接パス部の熱により焼戻されていないことを特徴とする上記（１６）〜(２３)のいずれかに記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（２８）前記鋼板の板厚が５０ｍｍ以上であることを特徴とする上記（７）〜（２７）のいずれかに記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。

（２９）上記（１）〜（２８）のいずれかに記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手を有することを特徴とする溶接構造体。

本発明によれば、鋼板の多パス突合せ溶接において、耐脆性き裂伝播特性に優れた溶接継手を形成することができる。その結果、耐脆性き裂伝播特性に優れた溶接継手を有する溶接構造体を建造することができる。

１）まず、本発明の技術思想について、次の実験結果に基づいて説明する。

１種類の溶接材料のみを用いて溶接継手を作製し、溶接金属部の脆性き裂伝播停止性能（Ｋａ）を評価するため、ＣＣＡ試験片を作製した。ＣＣＡ試験片全体を−１０℃に冷却し、１種類の溶接材料のみを用いて作製した溶接金属部のＫａを求めた。その結果を、図１に示す（図中、●印、参照）。

次に、２種類の溶接材料を用いて溶接継手を作製した。その際、２種類の溶接材料によって形成される溶接パス同士が，本発明で規定する分布をなすように、溶接継手を作製した。溶接金属部の脆性き裂伝播停止性能（Ｋａ）を評価するため、ＣＣＡ試験片を作製した。ＣＣＡ試験片全体を、−１０℃に冷却し、ＣＣＡ試験法でＫａを求めた。その結果を、図１に、併せて示す。

用いた溶接材料のＮｉ量が異なるので、用いた２種類の溶材のＮｉ含有量の差が１％以上の場合を、図中、○で示し、Ｎｉ含有量の差が１％未満の場合を、図中、□で示した。図１から、（ｉ）異なるＮｉ量の溶接材料を用いて作製した溶接継手のＫａは、高Ｎｉ量を含有する溶接材料のみを用いて作製した溶接継手のＫａよりも優れていることが解り、また、（ii）Ｋａ値の異なる溶接パスを配置することにより、溶接パスが有するＫａ値以上の性能が発現することが解った。

本発明は、上記知見に基づく技術思想を基礎とするものである。

なお、ＣＣＡ試験法（Compact-Crack-Arrest試験法）は、ＡＳＴＭなどで規格化されている脆性き裂伝播停止性能を定量的に評価する試験方法であり、次のように行った。

溶接金属部分の中央部に、試験片中央、即ち、切欠き部が一致するように、試験片を加工し、試験片全体を冷却槽に入れて、所定の温度、ここでは、−１０℃に冷却し、楔を介して、試験片に荷重をかける。

試験片端部に取り付けた変位計で、試験片の切欠き先端に負荷されているＫ値を算定する。

切欠き先端で脆性き裂が発生し，き裂が伝播すると、き裂伝播距離に応じて、き裂先端のＫ値は低下する。即ち、脆性き裂伝播停止特性であるＫａ値まで、試験片のき裂先端のK値が低下した時点で、脆性き裂が停止するので、き裂が停止した時点のき裂長さと、その時の試験片変位量からK値を計算し、Ｋａ値として評価する。

２）次に、本発明について、図面に基づいて説明する。図２に、鋼板１の突合せＶ開先を多パスで溶接して形成した本発明の突合せ多パス溶接継手（以下「本発明溶接継手」という）の態様を示す。

図２に示す本発明溶接継手２は、多パスで形成された溶接パス部２ｉから構成されているが、上記技術思想に基づき、溶接継手の表面及び裏面に、他の溶接パス部の破壊抵抗特性より優れた破壊抵抗特性を有する溶接パス部で、表面溶接層２ａと裏面溶接層２ｂが形成されている。

このように、本発明は、溶接継手の表面及び裏面に、他の溶接パス部の破壊靱性特性より優れた破壊靱性特性を有する表面溶接層２ａ及び裏面溶接層２ｂを配置して、溶接継手の表層部及び裏層部を、脆性破壊し難い領域とすることを特徴とする。

即ち、本発明においては、溶接継手内部に脆性き裂が発生しても、表面溶接層２ａ及び裏面溶接層２ｂの存在により、その溶接継手の長手方向における伝播を抑制しかつ止めることができる。

ここで、この作用効果が発現する機構について、図３及び図４に基づいて説明する。

溶接継手内部において、脆性き裂が、溶接部欠陥を起点にして発生した場合、脆性き裂は、破壊抵抗特性が、表面溶接層及び裏面溶接層の破壊抵抗特性より低い溶接パス部２ｉの溶接金属を伝播する。

破壊抵抗の高い表面溶接層及び裏面溶接層は、脆性破壊し難いので、脆性き裂Ｘが、図２に示すように、上記表面溶接層及び裏面溶接層に達すると、この領域では、脆性破壊が起きずに、塑性変形し、シアリップＺａ、Ｚｂが形成される。

脆性き裂Ｚａ、Ｚｂは、表面溶接層及び裏面溶接層の間の溶接金属内部に埋没した状態で、溶接継手の長手方向に伝播するので、脆性き裂の先端の応力拡大係数が小さくなり、脆性き裂のドライビングフォースが低下し、脆性き裂は停止し易い状態となる。

図４に、脆性き裂が、溶接継手の長手方向に伝播し、停止する態様を示す。図４（ａ）は、図３と同じであるが、図４（ｂ）に、脆性き裂Ｘの溶接継手の長手方向における伝播、停止態様を示す。

脆性き裂Ｘが溶接継手内部を伝播する間、表面溶接層及び裏面溶接層には、図４（ｂ）に示すように、塑性変形が生じ、シアリップＺａ、Ｚｂ（延性破壊領域）が形成される。
シアリップＺａ、Ｚｂの形成に伴い、脆性き裂Ｘの伝播エネルギーが吸収されるので、脆性き裂Ｘは、溶接継手を長手方向に伝播し続けることができず、Ｘｐの位置で停止することになる。その結果、溶接継手の脆性破壊を防止して、溶接構造物の破壊を防止することができる。

以上、説明したように、本発明においては、多パス溶接継手の表面及び裏面に、多パス溶接で、破壊抵抗特性が、内部の溶接パス部の破壊抵抗特性より優れた破壊抵抗特性を有する表面溶接層及び裏面溶接層が形成されていて、この表面溶接層及び裏面溶接層が、突発的又は衝撃的な応力の作用で内部の溶接パス部に発生した脆性き裂が、溶接継手の長手方向に伝播するのを抑制し、止める作用をなすことが特徴である。

本発明溶接継手は、鋼板を突き合わせて、多パスで溶接した継手である。鋼板の板厚は、特に限定されない。

本発明溶接継手は、多パス溶接で形成する溶接継手であればよく、溶接は、大入熱溶接でも小入熱溶接でも適用が可能である。

鋼板の開先形状は、Ｖ型、Ｘ型、Ｋ型、レ型などに限定されない。しかし、表面溶接層及び裏面溶接層においては、溶接継手の幅方向において、所要の幅を確保する必要があるので、裏面溶接層の幅を大きく確保することができるＸ型開先や、Ｋ型開先が望ましい。さらに、鋼板の機械的特性も、脆性き裂の伝播の抑制・停止に利用することを考慮すれば、Ｘ型開先が、より望ましい。

図５に、レ型開先の場合の本発明溶接継手を示す。図５に示すように、鋼板１に、鋼板１ａを垂直に突き合わせて形成したレ型開先にも、本発明溶接継手を適用することができるし、また、板厚が異なる鋼板を突き合わせて形成したレ型開先にも、本発明溶接継手を適用することができる。

本発明溶接継手の表面溶接層及び裏面溶接層は、溶接継手の長手方向に連続して形成されていることが望ましいが、断続的に形成されていてもよい。

上記表面溶接層及び裏面溶接層を断続的に形成する場合、該溶接層の溶接継手の長手方向における長さが３００ｍｍ以上であれば、シアリップの形成により、脆性き裂を停止させることができる。

また、上記表面溶接層及び裏面溶接層を断続的に形成する場合、該溶接層の存在する領域の溶接継手の長手方向における間隔は、４００ｍｍ以下が望ましい。

脆性き裂の伝播速度は、上記溶接層で形成したシアリップにより減速されるが、上記表面溶接層及び裏面溶接層が存在しない領域では、脆性き裂がシアリップを形成せずに伝播する。

１本の脆性き裂の溶接継手の長手方向における長さが４００ｍｍを超えると、脆性き裂の有するエネルギーが過大となり、この脆性き裂を、上記表面溶接層及び裏面溶接層が存在しない領域で停止させることが難くなる場合がある。それ故、上記表面溶接層及び裏面溶接層が存在しない領域の溶接継手の長手方向における長さは、４００ｍｍ以下が望ましい。

内部の溶接パス部より脆性破壊特性が優れる表面溶接層及び裏面溶接層を形成する方法としては、Ｎｉ量が、内部の溶接パス部を形成するのに用いた溶接材料のＮｉ量より１％以上多い溶接材料を用い、内部の溶接パス部を溶接する際の溶接条件と同じ溶接条件で、多パス溶接する方法が、簡便であり、かつ、好ましい。

特許文献１には、厚手大径溶接鋼管のＸ開先部を溶接する際、初層をＭＩＧ溶接で溶接し、その後、表層と裏層を、サブマージ溶接で溶接して、板厚全体を溶接する溶接方法において、ＭＩＧ溶接に用いる溶接ワイヤのＮｉ量をサブマージ溶接で用いる溶接ワイヤのＮｉ量より多くする技術が開示されている。

これは、初層で溶接割れが発生し易く、靭性の確保が困難なために、Ｎｉ量の多い溶接ワイヤを用いることで、サブマージ溶接部と同等の靭性を確保し、溶接部の板厚方向における靭性分布を平坦にするものであり、本発明の技術思想とは、基本的に異なるものである。

表面溶接層及び裏面溶接層は、単層でもよいし、２以上の溶接層を重ねて形成した重層でもよい。この時、２以上の溶接層を、同じ溶接材料で形成してもよいし、Ｎｉ量を変えた溶接材料で形成してもよい。

また、表面溶接層及び裏面溶接層を、他の溶接パス部を形成する溶接方法と同じ溶接方法で形成してもよいし、異なる溶接方法で形成してもよい。

本発明溶接継手は、通常の溶接条件の下で、溶接材料のＮｉ含有量を調整して、表面溶接層及び裏面溶接層を形成することができるが、溶接層の組織は、マルテンサイト変態が起きていない組織であることが好ましい。

特許文献４には、溶接部全体における残留応力を低減するため、多量（例えば１１％）のＮｉを含む変態温度の低い溶接材料を部分的に用い、オーステナイトからマルテンサイト変態する溶接パスを利用する溶接方法が提案されている。

しかし、この溶接方法による溶接部は、組織がマルテンサイト組織であるので、強度が極めて高く、結局、多量のＮｉを含有する溶接部であっても、Ｎｉを含有しない周辺溶接部より、靭性が低い場合が多い。したがって、本発明では、多量のＮｉ量が含有する場合でも、マルテンサイト変態をしていない組織が望ましい。

なお、本発明の表面溶接層及び裏面溶接層は、内部の溶接パス部より、破壊抵抗特性が優れている溶接層であればよく、破壊抵抗特性を、内部の溶接パス部の破壊抵抗特性以上に高める手段は、溶接材料のＮｉ量を高めることだけに限られない。表面溶接層及び裏面溶接層を形成した後、該溶接層に熱処理を施してもよいし、また、例えば、超音波打撃装置などでピーニング処理を施してもよい。

溶接継手の板厚が５０ｍｍ以下の場合には、表面溶接層及び裏面溶接層に形成される上記シアリップの効果により、多パス溶接継手を伝播する脆性き裂を停止させることができるが、溶接継手の板厚が５０ｍｍ以上の場合には、表面溶接層及び裏面溶接層に形成される上記シアリップの効果だけでは、溶接継手の長手方向の脆性き裂を停止できない場合もある。

このため、板厚５０ｍｍ以上の溶接継手の脆性き裂伝播停止性能を、さらに向上するために、表面溶接層及び裏面溶接層に形成される上記シアリップの効果に加えて、以下の方法により、板厚内部の溶接パスを適宜コントロールする。

本発明溶接継手においては、図６に示すように、表面溶接層２ａと裏面溶接層２ｂの間の溶接パス部２ｉに、該溶接パス部の破壊抵抗特性より優れた（ただし、表面溶接層と裏面溶接層の破壊抵抗特性と同程度か、それ以下の）中間溶接層２ｘを、溶接継手の幅方向にわたり連続して形成してもよい。

破壊抵抗特性の優れた上記中間溶接層２ｘは、他の溶接パス部を形成する溶接材料より破壊抵抗特性が優れた溶接材料、例えば、Ｎｉ量が、他の溶接パス部を形成する溶接材料のＮｉ量より１質量％以上多い溶接材料を用いて、１パスの溶接で形成される溶接パス部２ｉが、複数個、溶接継手の幅方向に連なったものである。

なお、中間溶接層は、単層でもよいし、２以上の中間溶接層を重ねて形成した重層でもよい。この時、２以上の中間溶接層を、同じ溶接材料で形成してもよいし、また、Ｎｉ量を変えた溶接材料で形成してもよい。

ここで、図７に、上記表面溶接層と裏面溶接層の間に、破壊抵抗特性が優れた中間溶接層が存在する場合における脆性き裂の伝播、停止態様を示す。

上記表面溶接層と裏面溶接層の間に、破壊抵抗特性が優れた中間溶接層２ｘが存在すると、溶接継手の板厚方向における靭性分布が、中間溶接層２ｘのところで、急峻に変化するから、溶接継手の破壊抵抗特性は、上下に分断された形となる。

溶接継手に、例えば、衝撃的な応力が作用すると、中間溶接層２ｘは、脆性破壊し難いから、脆性き裂は、図６に示すように、板厚表面側の脆性き裂Ｘと板厚裏面側の脆性き裂Ｙに分岐して生成し、それぞれの側で、溶接層（溶接パス部２ｉ）中を伝播する。

しかし、脆性き裂Ｘは、板厚方向に幅の狭いき裂であるので、き裂先端の応力拡大係数が小さくなり、き裂を伝播させるドライビングフォースが低下するので、溶接継手の長手方向の脆性き裂は停止し易くなる。

脆性き裂Ｘが伝播し、上端が表面溶接層２ａに達すると、前述したように、表面溶接層２ａで塑性変形が生じ、シアリップＺａ（延性破壊領域）が形成され、脆性き裂Ｘの伝播エネルギーが吸収される。また、脆性き裂Ｙが伝播し、下端が裏面溶接層２ｂに達すると、同様に、裏面溶接層２ｂで塑性変形が生じ、シアリップＺｂ（延性破壊領域）が形成され、脆性き裂Ｘの伝播エネルギーが吸収される。

脆性き裂Ｘの下端と脆性き裂Ｙの上端が、中間溶接層２ｘに達すると、中間溶接層２ｘにおける脆性き裂Ｘと脆性き裂Ｙの間の領域Ｚで、塑性変形が生じ、延性破壊しながら、脆性き裂Ｘ及び脆性き裂Ｙの伝播エネルギーを吸収する。

その結果、脆性き裂Ｘ及び脆性き裂Ｙは、伝播が抑制され、停止し易い状態となり、板厚表面側及び板厚裏面側の溶接パス部をある程度伝播した後、停止することになる。

中間溶接層は、溶接継手の長手方向に連続して存在することが望ましいが、断続的に存在していてもよい。溶接継手の長手方向において、２００ｍｍ以上の長さが確保されていれば、上記表面溶接層と裏面溶接層との相互作用で、溶接継手内部の溶接パス部に発生した脆性き裂の伝播を抑制するか又は止めることができる。

ただし、上記表面溶接層と裏面溶接層、及び、中間溶接層を溶接継手の長手方向に断続的に形成する場合、断続間隔が重複し、かつ、４００ｍｍを超えると、初期に生成した脆性き裂が伝播して、最終的に、溶接継手の長手方向における長さが４００ｍｍ以上の脆性き裂に成長する可能性がある。

脆性き裂の溶接継手の長手方向における長さが４００ｍｍ以上になると、脆性き裂が有するエネルギーが過大となり、脆性き裂の伝播を止めることが難しくなるので、中間溶接部の溶接継手の長手方向の断続間隔は、４００ｍｍ以下が好ましい。

本発明溶接継手においては、図８に示すように、表面溶接層２ａと裏面溶接層２ｂの間溶接パス部２ｉの中に、破壊靱性特性が、溶接パス部２ｉの破壊靱性特性より劣る溶接パス部２ｙ、２ｚを形成してもよい。

溶接パス部２ｉの中に、溶接パス部２ｙ、２ｚが存在すると、表面溶接層２ａと裏面溶接層２ｂの作用効果、溶接パス部２ｉの作用効果、及び、溶接パス部２ｘ、２ｙの作用効果が相俟って、溶接継手内部に脆性き裂が発生しても、その伝播を、迅速に抑制しかつ止める作用効果が発現する。

図９に、表面溶接層２ａと裏面溶接層２ｂの間に、破壊靱性特性が、溶接パス部２ｉの破壊靱性特性より劣る溶接パス部２ｙ、２ｚが存在する場合における脆性き裂の伝播、停止態様を示す。

溶接継手に、突発的又は衝撃的な応力が作用すると、溶接継手内部に分散して存在する溶接パス部２ｙ、２ｚ（破壊抵抗特性が、周囲の溶接パス部より劣る）において優先的に破壊が起き、脆性き裂Ｘ、Ｙが発生し、周囲の溶接パス部２ｉへ伝播する。この場合、溶接パス部２ｉの破壊抵抗特性は、溶接パス部２ｙ、２ｚの破壊抵抗特性より良好であるから、脆性き裂の溶接パス部２ｉへの伝播経路は、規則的に定まらず、複雑となる。

結局、溶接パス部２ｙ、２ｚから、複数の脆性き裂が、周囲の溶接パス部２ｉへ伝播するが、脆性き裂は、溶接継手の板厚方向に幅の狭いき裂となるので、き裂先端の応力拡大係数が低下して、き裂を伝播させるドライビングフォースが小さくなり、停止し易い状態となる。

図９に示すように、溶接パス部２ｙ及び２ｚから、それぞれ、脆性き裂Ｘ及びＹが伝播した場合、二つの脆性き裂Ｘ、Ｙの間の領域Ｚは、脆性破壊領域を逸れているので、該領域Ｚで塑性変形し、延性破壊しながら、脆性き裂の伝播エネルギーを吸収する。その結果、脆性き裂は溶接継手の長手方向において停止し易い状態になる。

また、脆性き裂Ｘの上端が表面溶接層２ａに到達し、脆性き裂Ｙの下端が裏面溶接層２ｂに到達すると、表面溶接層２ａ及び裏面溶接層２ｂにおいて塑性変形が生じ、シアリップＺａ及びＺｂ（延性破壊領域）が形成され、脆性き裂Ｘ及び脆性き裂Ｙの伝播エネルギーが吸収される。

それ故、脆性き裂Ｘ及び脆性き裂Ｙは、極めて停止し易い状態となり、容易にその溶接継手の長手方向における伝播が停止する。

破壊抵抗特性が、周囲の溶接パス部の破壊抵抗特性より劣る溶接パス部は、溶接継手内部で脆性き裂を複雑に分岐させるために、二つ以上必要である。しかし、上記溶接パス部の数が、溶接パス部を形成する総パス数の１／３を超えると、溶接継手において破壊抵抗特性の低い溶接パス部が支配的となって、むしろ、脆性き裂が伝播し易くなって、好ましくない。破壊抵抗特性が劣る溶接パス部の数は、総パス数の１／３が好ましい。

なお、上記溶接パス部は、１パスで形成してもよいし、数回のパスで形成してもよい。

上記溶接パス部は、通常、溶接継手の長手方向に連続して形成するが、断続して形成してもよい。破壊発生領域となる可能性が高い溶接パス部が、溶接継手内部で長手方向に連続して存在していると、該溶接パス部を、脆性き裂が伝播し、結果として、溶接継手を長手方向に貫く、長大な脆性き裂に成長する可能性があるので、むしろ、断続して形成したほうがよい。

破壊抵抗特性が劣る溶接パス部を断続して形成する場合、該溶接パス部の溶接継手の長手方向における長さは、１００ｍｍ以上が好ましい。上記溶接パス部の溶接継手の長手方向における長さが１００ｍｍ以上あれば、脆性き裂を、容易に分岐させることができる。

一方、上記溶接パス部の溶接継手の長手方向における長さが４００ｍｍを超えると、脆性き裂が先行して伝播する長さが長くなりすぎて、好ましくない。破壊抵抗特性が低い溶接パス部の溶接継手の長手方向における長さは、１００ｍｍ以上４００ｍｍ以下が好ましい。

破壊抵抗特性が劣る溶接パス部の溶接継手の長手方向における間隔が２００ｍｍ以上であれば、その他の溶接パス部で、脆性き裂を停止させる可能性が高くなるが、４００ｍｍを超えると、その他の溶接パス部で発生した脆性き裂が伝播し、溶接継手の長手方向における長さが４００ｍｍ以上の１本の脆性き裂に成長する可能性がある。

１本の脆性き裂の溶接継手の長手方向における長さが４００ｍｍを超えると、脆性き裂の有するエネルギーが過大となり、この脆性き裂を、破壊抵抗特性が劣る溶接パス部に誘導しても、該溶接パス部で分岐させることが難しくなる。破壊抵抗特性が劣る溶接パス部の溶接継手の長手方向における間隔は、２００ｍｍ以上４００ｍｍ以下が好ましい。

周囲の溶接パス部より脆性破壊特性が劣る溶接パス部を形成する方法としては、Ｎｉ量が、周囲の溶接パス部を形成するのに用いた溶接材料のＮｉ量より１質量％以上少ない溶接材料を用い、同じ溶接条件で溶接する方法が、簡便で好ましい。

しかし、上記方法は、周囲の溶接パス部を形成す溶接材料がＮｉを含有していない場合には採用することができないので、この場合には、Ｃ量の高い溶接材料や、ＴｉやＢなどの組織微細化元素を添加していない溶接材料（いずれも、破壊抵抗特性が低い溶接材料）を用いればよい。

また、溶接条件を変えることによっても、溶接パス部の破壊抵抗特性を低下させることができる。例えば、破壊抵抗特性の劣る溶接パス部の形成の際に、入熱を、周囲の溶接パス部を形成する際の入熱の１３０％以上とすると、のど厚の大きな溶接パス部を形成することができる。

そして、次に、のど厚の大きな溶接パス部の上に、引き続き、通常の入熱条件、又は、通常の入熱条件よりも低い入熱条件で溶接パス部を形成する。このように溶接を行うと、のど厚の大きな溶接パス部は、後続の溶接パス部の熱による焼戻しを受けず、破壊抵抗特性の劣る溶接パス部となる。

溶接継手の内部に、破壊抵抗特性の劣る溶接パス部を形成することができればよく、その形成方法は、特定の方法に限定されるものではない。例えば、乾燥が不十分な溶接材料を用いて、破壊抵抗特性の劣る溶接パス部のみを形成してもよい。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例の条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例１）
表１〜３に示す鋼板条件及び溶接パス条件で溶接継手を形成し、脆性き裂伝播試験で耐脆性き裂伝播特性を測定した。その結果を、表４〜６に示す。なお、用いた鋼板鋼種の成分組成を表７に示す。

表１〜３において、特定溶接パスＡが、少なくとも、表面溶接部及び裏面溶接部に形成した基本パスよりも破壊抵抗特性が優れる溶接パスであり、特定溶接パスＢが、表面溶接層と裏面溶接層の間に形成した基本パスよりも破壊抵抗特性が劣る溶接パスである。

表４〜６から、Ｎｏ．１〜２４の発明例において、脆性き裂は、表面溶接部及び／又は裏面溶接部に伝播してきても、その長さは短く、停止することが解る。

前述したように、本発明によれば、耐脆性き裂伝播特性に優れた溶接継手を有する溶接構造体を建造することができる。したがって、本発明は、溶接構造物建造分野において、利用可能性が大きいものである。

本発明の基礎を示すＣＣＡ試験結果を示す図である。 本発明の突合せ多パス溶接継手の一態様を示す図である。 本発明の溶接継手において、脆性き裂が発生し、伝播した態様を示す図である。 脆性き裂の伝播、停止を示す図である。（ａ）は、表面溶接層及び裏面溶接層で、塑性変形が生じ、延性破壊した態様を示し、（ｂ）は、脆性き裂がある程度伝播し、停止する態様を示す図である。 レ型開先の場合の本発明溶接継手を示す図である。 本発明の突合せ多パス溶接継手の別の態様を示す図である。 図６に示す突合せ多パス溶接継手において、脆性き裂が伝播、停止する態様を示す図である。 本発明の突合せ多パス溶接継手のさらに別の態様を示す図である。 図８に示す突合せ多パス溶接継手において、脆性き裂が伝播、停止する態様を示す図である。

符号の説明

１ 鋼板
２ 本発明溶接継手
２ａ 表面溶接層
２ｂ 裏面溶接層
２ｉ 溶接パス部
２ｘ 中間溶接層
２ｙ、２ｚ 破壊抵抗特性の劣る溶接パス部
Ｘ、Ｙ 脆性き裂
Ｚ 領域（延性破壊領域）
Ｚａ、Ｚｂ シアリップ（延性破壊領域）

Claims (29)

1. 鋼板の突合せ多パス溶接継手において、該溶接継手の表面溶接層と裏面溶接層の破壊抵抗特性が、他の溶接層の破壊抵抗特性より優れていることを特徴とする耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
2. 前記表面溶接層及び裏面溶接層が、他の溶接層を形成する溶接金属のＮｉ量より１％以上多いＮｉ量の溶接金属で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
3. 前記表面溶接層及び裏面溶接層が、溶接継手の長手方向に連続して存在することを特徴とする請求項１又は２に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
4. 前記表面溶接層及び裏面溶接層が、溶接継手の長手方向に断続して存在することを特徴とする請求項１又は２に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
5. 前記表面溶接層及び裏面溶接層が、溶接継手の長手方向に、長さ：３００ｍｍ以上、存在することを特徴とする請求項４に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
6. 前記表面溶接層及び裏面溶接層が、溶接継手の長手方向に、間隔：４００ｍｍ以下で断続して存在することを特徴とする請求項４又は５に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
7. 前記表面溶接層と裏面溶接層の間の少なくとも一つの溶接層が、他の溶接層より優れた破壊抵抗特性を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
8. 前記一つの溶接層が、複数の溶接パスにより、溶接継手の幅方向にわたり連続して形成されたものであることを特徴とする請求項７に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
9. 前記一つの溶接層が、他の溶接層を形成する溶接金属のＮｉ量より１％以上多いＮｉ量の溶接金属で形成されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
10. 前記一つの溶接層が、他の溶接層を形成した溶接方法と同じ溶接方法で形成した溶接層であることを特徴とする請求項９に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
11. 前記溶接層の組織が、マルテンサイト変態が起きていない組織であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
12. 前記一つの溶接層が、溶接継手の長手方向に連続して存在することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
13. 前記一つの溶接層が、溶接継手の長手方向に断続して存在することを特徴とする請求項７〜１２のいずれか１項に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
14. 前記一つの溶接層が、溶接継手の長手方向に、長さ：２００ｍｍ以上、存在することを特徴とする請求項１３に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
15. 前記一つの溶接層が、溶接継手の長手方向に、間隔：４００ｍｍ以下で断続して存在することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
16. 前記表面溶接層と裏面溶接層の間に、破壊抵抗特性が、周囲の溶接パス部の破壊抵抗特性より劣る溶接パス部が、二つ以上、相互に離間して存在することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
17. 前記破壊抵抗特性が劣る溶接パス部が、溶接継手の形成に必要な全パス数の１／３以下の数、存在することを特徴とする請求項１６に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
18. 前記破壊抵抗特性が劣る溶接パス部が、溶接継手の板厚方向に、相互に離間して存在することを特徴とする請求項１６又は１７に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
19. 前記破壊抵抗特性が劣る溶接パス部が、溶接継手の長手方向に連続して存在することを特徴とする請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
20. 前記破壊抵抗特性が劣る溶接パス部が、溶接継手の長手方向に断続して存在することを特徴とする請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
21. 前記破壊抵抗特性が劣る溶接パス部の溶接継手の長手方向における長さが１００ｍｍ以上４００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２０に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
22. 前記破壊抵抗特性が劣る溶接パス部が、溶接継手の長手方向で、２００ｍｍ以上４００ｍｍ以下の間隔で断続して存在することを特徴とする請求項２０又は２１に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
23. 前記破壊抵抗特性が劣る溶接パス部が、１回、又は、複数回のパスで形成されたものであることを特徴とする請求項１６〜２２のいずれか１項に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
24. 前記破壊抵抗特性が劣る溶接パス部が、他の溶接パス部を形成する溶接材料のＮｉ量より１％以上少ないＮｉ量の溶接材料で形成した溶接パス部であることを特徴とする請求項１４〜２１のいずれか１項に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
25. 前記破壊抵抗性が劣る溶接パス部が、他の溶接パス部を形成した溶接方法と同じ溶接方法で形成した溶接層であることを特徴とする請求項２４に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
26. 前記他の溶接パス部の組織が、マルテンサイト変態が起きていない組織であることを特徴とする請求項２４又は２５に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
27. 前記破壊抵抗特性が劣る溶接パス部が、後続の溶接パス部の熱により焼戻されていないことを特徴とする請求項１６〜２３のいずれか１項に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
28. 前記鋼板の板厚が５０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項７〜２７のいずれか１項に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手。
29. 請求項１〜２８のいずれか１項に記載の耐脆性き裂伝播特性に優れた突合せ多パス溶接継手を有することを特徴とする溶接構造体。

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