JP4790364B2 - 耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体 - Google Patents

Description

本発明は、溶接構造体の突合せ溶接継手に万一脆性き裂が発生しても、溶接構造体が破断に至る前に伝播き裂を停止させるための、耐脆性き裂伝播性に優れた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用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に関する。

溶接構造体であるコンテナ船は、積載能力や荷役効率の向上のため、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おり、特に船殻外板および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、船殻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。

船殻外板および内板となる鋼板は大入熱溶接（例えばエレクトロガスアーク溶接）により溶接されているが、大入熱溶接を適用すると溶接熱影響部（以下、ＨＡＺともいう。）の靭性値が低下し、またＨＡＺの幅も増大するため、溶接継手の脆性破壊に対する抵抗値が低下する傾向にある。このため、溶接継手における脆性き裂の発生を防止し、かつ脆性き裂の伝播停止（アレスト）を達成するために、耐脆性破壊特性に優れたＴＭＣＰ鋼板（ＴＭＣＰとはThermo Mechanical Control Process（熱加工制御）の略。制御圧延と制御冷却を組み合わせた厚板製造プロセスにより、低い炭素当量で高い強度を得ることができる。）が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。

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おり、万一、溶接継手で脆性き裂が発生しても、溶接残留応力により脆性き裂が溶接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、脆性き裂を母材で停止できると考えられてきた。
しかしながら、６０００ＴＥＵを超える大型コンテナ船では、板厚が７０ｍｍを超え、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、ＨＡＺ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、ＨＡＺに沿って伝播する可能性がある。

突合せ溶接継手のＨＡＺに沿って伝播する脆性き裂をアレストさせる方法として、図１に示すように、突合せ溶接継手２と交差するように補強板（骨材）３を隅肉溶接で取り付け、脆性き裂を骨材に逸らせる（脆性き裂が伝播する方向を図１中に矢印で示す。）ことでアレストさせる方法が従来から知られている。しかし、本発明者らによる鋼板の脆性破壊に係る試験によれば、鋼板１の板厚が厚くなると、骨材が取り付けられていても、骨材とは無関係に、脆性き裂がＨＡＺあるいは溶接金属部に沿って伝播してしまうことがあった。
また、突合せ溶接継手の一部に補修溶接を施し、ＨＡＺに沿って伝播してくる脆性き裂を母材側に逸らせることでアレストさせる方法も開発されている（例えば、特許文献２参照。）。この方法は、母材の破壊靭性に優れる場合は有効だが、母材の破壊靭性が不十分な場合は逸れた母材中の脆性き裂が長く伝播し、構造物としての機能を失う可能性がある。
特開２００２−０２０８３５号公報 特開２００５−１３１７０８号公報

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破断を防止できる溶接構造体を提供することを課題とする。

本発明者らは、溶接構造体の溶接部について、特定のアレスター材を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）突合せ溶接継手に発生する脆性き裂の伝播を停止させたい領域に、１枚のまたは複数枚積層された板状アレスター材が突合せ溶接線と交差するように表裏を突き抜けるよう嵌め込まれ、すみ肉溶接により、その隙間を溶接金属で充填された構造体であって、前記アレスター材として、表面および／または裏面の板厚比２％以上の厚みの表層域に、集合組織コロニーの平均短軸径が５μｍ以下であり、かつランダム試料に
対する圧延面に平行な集合組織の｛１００｝面Ｘ線回折強度比が１．５以上である集合組織を有する鋼板が、少なくとも１枚以上配設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。

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の例を図２〜図５を用いて詳細に説明する。図２と図４は従来の溶接構造体を示す図で、図３と図５は脆性き裂伝播を停止するための溶接構造体を示す図である。各図において、８はアレスター材、３は補強材（船舶における骨材）、５は水平部材（船舶におけるデッキプレート）、６は垂直部材（船舶における船殻内板）、７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３と図５に示すように、アレスター材８を溶接してアレスター溶接継手Ｂを作製することで、垂直部材６と水平部材５の間で脆性き裂伝播を停止させる溶接構造体であって、前記アレスター材として、表面および／または裏面の板厚比２％以上の厚みの表層域にわたり、集合組織コロニーの平均短軸径が５μｍ以下であり、かつランダム試料に対する圧延面に平行な集合組織の｛１００｝面Ｘ線回折強度比が１．５以上である集合組織を有する鋼板を少なくとも１枚以上用いることを特徴とする。
垂直部材６の突合せ溶接継手Ａ（以下、単に継手Ａという。）を伝播してくる脆性き裂を停止させるために、１枚のまたは複数枚積層された板状アレスター材８を突合せ溶接線と交差するように貫通して溶接する。アレスター材８の溶接は、脆性き裂伝播を防止し、さらにアレスター溶接部からの疲労き裂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、溶接金属で完全に充填する。
なお、アレスター材８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に、例えば、溶接方法は被覆アーク溶接（ＳＭＡＷ）や炭酸ガスアーク溶接（ＣＯ₂溶接）、溶接材料はワイヤの成分を高Ｎｉとするのが好ましい。

集合組織の発達した鋼板は、破壊条件下で板面に平行な方向の割れ（セパレーション）を生じやすいために、き裂先端や切欠き底の応力集中度の低下が期待でき、鋼板の脆性破壊の防止に対して有利である。このセパレーションは、｛１００｝面と｛１１１｝面の集合組織が発達している組織において応力が付与されると、発生歪が結晶方位によって異なるため、｛１００｝集合組織と｛１１１｝集合組織の界面で歪の不整合が生じ、この不整合歪部が割れの起点となるため生じることが知られている。しかし、一般構造用鋼板の脆性き裂伝播においては、セパレーションがほとんど観察されない。セパレーションを生じてき裂先端近傍の応力状態を緩和させるためには、テンパーカラー法などにより現出させた組織において同様の色調で構成される同一結晶方位を有する集合組織コロニーの平均短軸径が５μｍ以下であり、かつランダム試料に対する圧延面に平行な集合組織の｛１００｝面Ｘ線回折強度比が１．５以上は必要である。一方、集合組織コロニーの平均短軸径が５μｍを超え、もしくは、｛１００｝面Ｘ線回折強度比が１．５未満の場合には、垂直部材６の継手Ａを伝播してきた脆性き裂がそのまま継手Ｂを伝播し、溶接構造体は破断してしまう。
そして、鋼板の表面および／または裏面の板厚比２％以上の厚みの表層域にわたって上記細粒集合組織を設けることにより、脆性き裂伝播抵抗が著しく向上する。一方、この表層域の厚さが板厚比２％未満の場合には、垂直部材６の継手Ａを伝播してきた脆性き裂がそのまま継手Ｂを伝播し、溶接構造体は破断してしまう。

表面および／または裏面の板厚比２％以上の厚みの表層域にわたり５μｍ以下の平均短軸径を有し、かつ圧延面に平行な集合組織のランダム試料に対する｛１００｝面Ｘ線回折強度比が１．５以上を満足するアレスター材はアレスト性能に極めて優れ、当該アレスター材を用いた溶接構造体は脆性き裂伝播が停止し易いので、当該アレスター材の寸法は特に指定しない。また、当該アレスター材の素材鋼板の製法は特に指定しないが、例えば、特開平０６−８８１６１号公報に記載されている発明方法が該当する。
＜第２の実施形態＞

本発明の第２の実施形態は、図６に示すように、第１の実施形態と同様にアレスター材を挿入し溶接することで突合せ溶接継手に発生した脆性き裂の伝播を停止させる溶接構造体であるが、アレスター材が合計２枚以上積層されており、そのうち少なくとも１枚は、表面および／または裏面の板厚比２％以上の厚みの表層域にわたり、集合組織コロニーの平均短軸径が５μｍ以下であり、かつランダム試料に対する圧延面に平行な集合組織の｛１００｝面Ｘ線回折強度比が１．５以上である集合組織を有する鋼板であることを特徴とする。
積層させるアレスター材の少なくとも１枚を集合組織の特徴が規定される上記アレスター材とすればよいだけで、他のアレスター材は一般構造用鋼板でよく、その寸法やアレスト性能は特に指定しない。もちろん、全く同じアレスター材の素材鋼板を２枚以上重ねて使用することで、１枚のアレスター材から成る溶接構造体よりも脆性き裂伝播停止性能に優れる場合があり、アレスター材の素材鋼板は２枚以上積層させて使用してもよい。

図５、６における垂直部材６の突合せ溶接継手Ａから成る溶接構造体を製作した。垂直部材６の母材は板厚７０〜８０ｍｍの日本海事協会（ＮＫ）規格船体用圧延鋼材ＫＡ３２、ＫＡ３６、ＫＡ４０を用いて、突合せ溶接方法は、ＣＯ₂溶接、簡易エレクトロガスアーク溶接（ＳＥＧＡＲＣ）、揺動式エレクトロガスアーク溶接（ＶＥＧＡ）、揺動式２電極エレクトロガスアーク溶接（ＶＥＧＡ−II)を採用した。その後、一部の溶接構造体では垂直部材６にアレスター材８を溶接した。さらに、継手Ａを冷却の後、継手Ａの溶接線と垂直方向に引張応力を付与することで継手Ａに脆性き裂を伝播させ、溶接構造体の耐脆性き裂伝播性を評価した。
一方で、アレスター材の素材鋼板の表層のみ、あるいは表裏層における集合組織の状態を調査した。集合組織コロニーの平均短軸径はテンパーカラー法により現出させた組織の光学顕微鏡写真から測定した。集合組織のランダム試料に対する｛１００｝面のＸ線回折強度比は、表層もしくは表裏層から圧延面に平行に採取した試料を用いて、Ｘ線正極点図法および逆極点図法により求めた。

本発明の実施例より、アレスター材の集合組織の特徴と耐脆性き裂伝播性の関係を評価した結果を表１に示す。表１のＮｏ．１〜Ｎｏ．１２は本発明例であって、いずれの実施例でも耐脆性き裂伝播性が良好であり、垂直部材６の継手Ａを伝播してきた脆性き裂がアレスター材８に突入した後、アレスター内で停止し、溶接構造体は完全には破断しなかった。一方、表１のＮｏ．１３〜Ｎｏ．１８は比較例であり、Ｎｏ．１３〜Ｎｏ．１４ではアレスター材８の表層あるいは表裏層において、平均短軸径５μｍ以下、圧延面に平行な集合組織のランダム試料に対する｛１００｝面Ｘ線回折強度比が１．５以上を満足する領域の厚さ比率が２％未満だったため、垂直部材６の継手Ａを伝播してきた脆性き裂がそのまま継手Ｂを伝播し、溶接構造体は破断した。Ｎｏ．１５〜１６ではアレスター材８の表層あるいは表裏層における平均短軸径が５μｍより大きかったため、Ｎｏ．１７〜１８はアレスター材８の表層あるいは表裏層における圧延面に平行な集合組織のランダム試料に対する｛１００｝面Ｘ線回折強度比が１．５未満だったため、やはり、垂直部材６の継手Ａを伝播してきた脆性き裂がそのまま継手Ｂを伝播し、溶接構造体は破断した。

本発明の実施例より、アレスター材の積層条件が耐脆性き裂伝播性に及ぼす影響を評価した結果を表２に示す。表２のＮｏ．１９〜Ｎｏ．２４は本発明例であって、いずれの実施例でも耐脆性き裂伝播性が良好であった。一方、表２のＮｏ．２５〜Ｎｏ．２６は比較例であり、いずれもアレスター材８の材質が一般構造用鋼のみだったため、脆性き裂がそのまま継手Ａを貫通伝播し、溶接構造体は破断した。

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を示す図である。 船舶における脆性き裂伝播を停止するための溶接構造体を示す図である。 従来の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を示す詳細図である。 積層したアレスターによる脆性き裂伝播を防止するための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 水平部材（船舶におけるデッキプレート）
６ 垂直部材（船舶における船殻内板）
７ 船舶における船殻外板
８ アレスター材

Claims (1)

1. 突合せ溶接継手に発生する脆性き裂の伝播を停止させたい領域に、１枚のまたは複数枚積層された板状アレスター材が突合せ溶接線と交差するように表裏を突き抜けるよう嵌め込まれ、すみ肉溶接により、その隙間を溶接金属で充填された構造体であって、前記アレスター材として、表面および／または裏面の板厚比２％以上の厚みの表層域に、集合組織コロニーの平均短軸径が５μｍ以下であり、かつランダム試料に対する圧延面に平行な集合組織の｛１００｝面Ｘ線回折強度比が１．５以上である集合組織を有する鋼板が、少なくとも１枚以上配設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。

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