JP4818466B1 - 耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図2
Description
特に、厚鋼板を用いて溶接を適用した溶接構造物の溶接継手において脆性き裂が発生した場合でも、その伝播を制御、抑制して安全性を向上させることができる耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体に関する。
ここで、TEU(Twenty feet Equivalent Unit)とは、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。
このような大型コンテナ船は、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確保した構造とされており、特に、船殻外板や内板の強度を確保する必要があるため、上記のような高強度鋼板が用いられている。
しかしながら、鋼板の溶接に大入熱溶接を適用した場合、溶接熱影響部(HAZ:Heat Affected Zone)の靭性が低下し、HAZの幅も増大するため、脆性破壊に対する破壊靭性値が低下する傾向にある。
しかしながら、地震や構造物同士の衝突の事故や災害等の際に、万が一、脆性破壊が生じると、脆性き裂がHAZを伝播して大きな破壊が生じるおそれがある。
しかしながら、このような厚鋼板を用いた場合、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無くHAZに沿って伝播し続け、溶接構造物に大きな破壊をもたらすおそれがある。
しかしながら、特許文献1の溶接構造体では、母材の破壊靭性が非常に優れている場合には有効であるが、母材の破壊靭性が不充分な場合には、母材側に逸れた脆性き裂が長く伝播し、構造物としての強度が著しく低下するおそれがある。また、埋め戻し溶接部のボリュームが大きめとなり、工程時間が長くなるとともに、製造コストも増大するという問題がある。
しかしながら、特許文献2に記載の溶接構造体を大型建造物に適用した場合、例えば、溶接継手を伝播した脆性き裂が、アレスタ部材を鋼板に溶接する溶接継手を伝播してアレスタ部材に突入し、そのままアレスタ部材の内部を伝播した後、再び溶接継手を伝播するおそれがある。一方、溶接継手を伝播した脆性き裂が、アレスタ部材及び該アレスタ部材を鋼板に溶接する溶接継手の位置で母材側に逸れた場合には、上記同様、母材の破壊靭性が不充分だと脆性き裂が長く伝播し、溶接構造物としての強度が著しく低下するという問題も懸念される。
この結果、アレスタ部材の形状や材質特性を適正化することにより、溶接継手及び母材における脆性き裂の伝播を抑制し、溶接構造体に大規模な破壊が発生するのを防止できることを見出し、次のような基本形態を見出した。
前記鋼板溶接継手の少なくとも一箇所に、鋼板溶接継手に発生した脆性き裂の伝播を停止する耐き裂制御部が設けられており、
該耐き裂制御部は、脆性き裂伝播停止特性Kcaが6000N/mm1.5以上の鋼材からなり、前記鋼板溶接継手から前記鋼板にまたがって形成された貫通穴に挿入されたアレスタ部材、及び、該アレスタ部材の外縁部と、それに対向する鋼板母材とが突合せ溶接されて形成されたアレスタ溶接継手を有しており、
前記アレスタ部材は、前記鋼板溶接継手の長手方向に沿った高さH(mm)、鋼板溶接継手の長手方向と交差する方向における横幅W(mm)、及び板厚t(mm)の各々の寸法が、下記(1)〜(3)式で表される関係を満足し、かつ、アレスタ部材の外縁部は、前記鋼板溶接継手の長手方向前後において、前記長手方向に対して60°以上120°以下の範囲の角度で前記鋼板溶接継手と交差するように形成されていること、を特徴とする耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
2T ≦ H ・・・・・ (1)
3.2d+50 ≦ W ・・・・・ (2)
0.90T ≦ t ・・・・・ (3)
但し、上記(1)〜(3)式中において、Tは前記鋼板の板厚(mm)を表し、dは前記鋼板溶接継手における溶接金属部の幅(mm)を表す。
[C] 前記鋼板の板厚が25mm以上150mm以下であること、を特徴とする上記[A]又は[B]に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
[1] 鋼板を、互いに突合せ溶接することで鋼板溶接継手が形成されてなる溶接構造体において、
前記鋼板溶接継手の少なくとも一箇所に、鋼板溶接継手に発生した脆性き裂の伝播を停止する耐き裂制御部が設けられており、
該耐き裂制御部は、脆性き裂伝播停止特性Kcaが6000N/mm 1.5 以上の鋼材からなり、前記鋼板溶接継手から前記鋼板にまたがって形成された貫通穴に挿入されたアレスタ部材、及び、該アレスタ部材の外縁部と、それに対向する鋼板母材とが突合せ溶接されて形成されたアレスタ溶接継手を有しており、
前記アレスタ部材の外縁部は、前記鋼板溶接継手の長手方向前後において、該長手方向に対して60°以上120°以下の範囲の角度で前記鋼板溶接継手と交差するように形成されており、前記アレスタ部材の前記鋼板溶接継手の長手方向に沿った高さH(mm)、前記鋼板溶接継手の長手方向と直角な方向の最大幅で表される横幅W(mm)、及び板厚t(mm)の各々の寸法が、下記(1)〜(3)式で表される関係を満足し、
前記鋼板は、前記鋼板溶接継手の長手方向で配列される少なくとも2以上の鋼板からなるとともに、該長手配列鋼板を互いに突合せ溶接することで長手配列鋼板溶接継手が形成されており、前記耐き裂制御部は、前記鋼板溶接継手と交差する一方の外縁部に形成される前記アレスタ溶接継手が前記長手配列鋼板溶接継手に接するように設けられていること、を特徴とする耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
2T ≦ H ・・・・・ (1)
3.2d+50 ≦ W ・・・・・ (2)
0.90T ≦ t ・・・・・ (3)
但し、上記(1)〜(3)式中において、Tは前記鋼板の板厚(mm)を表し、dは前記鋼板溶接継手における溶接金属部の幅(mm)を表す。
[2] 鋼板を、互いに突合せ溶接することで鋼板溶接継手が形成されてなる溶接構造体において、
前記鋼板溶接継手の少なくとも一箇所に、鋼板溶接継手に発生した脆性き裂の伝播を停止する耐き裂制御部が設けられており、
該耐き裂制御部は、脆性き裂伝播停止特性Kcaが6000N/mm 1.5 以上の鋼材からなり、前記鋼板溶接継手から前記鋼板にまたがって形成された貫通穴に挿入されたアレスタ部材、及び、該アレスタ部材の外縁部と、それに対向する鋼板母材とが突合せ溶接されて形成されたアレスタ溶接継手を有しており、
前記アレスタ部材の外縁部は、前記鋼板溶接継手の長手方向前後において、該長手方向に対して60°以上120°以下の範囲の角度で前記鋼板溶接継手と交差するように形成されており、前記アレスタ部材の前記鋼板溶接継手の長手方向に沿った高さH(mm)、前記鋼板溶接継手の長手方向と直角な方向の最大幅で表される横幅W(mm)、及び板厚t(mm)の各々の寸法が、下記(1)〜(3)式で表される関係を満足し、
前記鋼板は、前記鋼板溶接継手の長手方向で配列される少なくとも2以上の鋼板からなるとともに、該長手配列鋼板を互いに突合せ溶接することで長手配列鋼板溶接継手が形成されており、前記耐き裂制御部は、アレスタ部材の前記鋼板溶接継手と交差する一方の外縁部に形成される前記アレスタ溶接継手が前記長手配列鋼板溶接継手を含むように設けられ、さらに、前記長手配列鋼板溶接継手をなす溶接金属部の靱性を表す脆性−延性破面遷移温度vTrS4(℃)と、前記鋼板の母材靱性を表す脆性−延性破面遷移温度vTrS1(℃)との関係が、次式、vTrS4 ≦ vTrS1+20で表される関係を満たすこと、を特徴とする耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
2T ≦ H ・・・・・ (1)
3.2d+50 ≦ W ・・・・・ (2)
0.90T ≦ t ・・・・・ (3)
但し、上記(1)〜(3)式中において、Tは前記鋼板の板厚(mm)を表し、dは前記鋼板溶接継手における溶接金属部の幅(mm)を表す。
[3] 前記アレスタ溶接継手における溶接金属部の靱性を表す脆性−延性破面遷移温度vTrS3(℃)と、前記鋼板の母材靱性を表す脆性−延性破面遷移温度vTrS1(℃)との関係が、次式、vTrS3 ≦vTrS1+20で表される関係を満たすこと、を特徴とする上記[1]に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
[4] 前記鋼板の板厚が25mm以上150mm以下であること、を特徴とする上記[1]〜[3]の何れかに記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
このような本発明に係る溶接構造体が、大型船舶をはじめ、建築構造物や土木鋼構造物等の各種溶接構造物に使用されることで、溶接構造物の大型化、破壊に対する高い安全性、建造における溶接の高能率化、鋼材の経済性等々が同時に満たされことから、その産業上の効果は計り知れない。
本発明者等は、上述のような脆性き裂の伝播方向を効果的に制御し、溶接構造体においてき裂が伝播するのを抑制するためには、上記従来技術において、さらにアレスタ部材の形状や材質を適正化することが重要であることを知見した。
本発明の基本原理について図1を用いて説明する。
逆に、アレスタ部材5のKcaが低い場合やアレスタ部材の高さや板厚などが十分でない場合などでは、図1−cのように、き裂がアレスタ溶接継手にジャンプして、鋼板溶接継手に再び戻ったり、図1−dのように、き裂がアレスタ部材5を貫通したりすることもあり得る。
<全体の構成>
第1の実施形態は、図2に示すように、鋼板1、1を突合せ溶接することで鋼板溶接継手2が形成されている場合の例であり、以下、この継手に適用した形態を溶接構造体Aと呼称して説明する。
溶接構造体Aにおいては、衝突や地震などによる大きな破壊エネルギーにさらされたときに、き裂の発生・伝播が予想される鋼板溶接継手の少なくとも一箇所に、耐き裂制御部4が設けられる。
耐き裂制御部4は、鋼板1を貫通するように設けられ、脆性き裂伝播停止特性Kcaが6000N/mm1.5以上の鋼材からなるアレスタ部材5と、該アレスタ部材5が鋼板1に対して突合せ溶接されることで形成されるアレスタ溶接継手6とからなっている。
アレスタ部材5は、鋼板溶接継手2の溶接線Lと交わる交点5aからそれぞれ鋼板内部に向かって延在する外縁部50(51、52)が、鋼板溶接継手2の長手方向に対して60°以上120°以下の範囲の角度で傾斜又は直交するように形成される。
図2に示す溶接構造体Aでは、アレスタ部材5が、外縁部51、52の鋼板溶接継手2の長手方向に対する角度が90°とされることで、外縁部51、52が鋼板溶接継手2に対して共に直交し、平面視略四角形の長方形に形成されている。
溶接構造体に用いられる鋼板1としては、船舶用溶接構造体、建築構造物及び土木鋼構造物等の分野において、従来公知の鋼板特性を備えるものを使用することができる。
例えば、質量%で、C:0.01〜0.18%、Si:0.01〜0.5%、Mn:0.3〜2.5%、P:0.01%以下、S:0.001〜0.02%を含有する組成を基本とし、この組成に、求められる性能に応じて、さらに、N:0.001〜0.008%、B:0.0001〜0.005%、Mo:0.01〜1.0%、Al:0.002〜0.1%、Ti:0.003〜0.05%、Ca:0.0001〜0.003%、Mg:0.001〜0.005%、V:0.001〜0.18%、Ni:0.01〜5.5%、Nb:0.005〜0.05%、Cu:0.01〜3.0%、Cr:0.01〜1.0%、REM::0.0005〜0.005%の1種または2種以上を含有させ、残部はFe及び不可避不純物によって構成される鋼があげられる。
特に、脆性き裂伝播停止特性Kcaが6000N/mm1.5以上の鋼板としては、特開2007−302993号公報や、特開2008−248382号公報などに示されるような組成の厚鋼板が好適に使用できる。
アレスタ部材5は、図2に示すように、鋼板溶接継手2によって接合される鋼板1の各々に形成された貫通孔3に、鋼板溶接継手2の溶接線Lを中心として鋼板1の各々において対称となるように配置される。また、アレスタ部材5は、鋼板1に形成された貫通孔3内に露出する溶接端に対して突合せ溶接されることで形成されるアレスタ溶接継手6とともに、耐き裂制御部4を構成する。
アレスタ部材5は、上述したような耐き裂制御部4を構成することにより、鋼板溶接継手2にき裂が生じた場合でも、鋼板溶接継手の途中に設けられた耐き裂制御部のアレスタ部材5内部で、き裂の伝播を停止させ、鋼板溶接継手2を貫くようにき裂が伝播して互いに溶接された鋼板1同士が分断するのを防止するものである。
また、図示例のアレスタ部材5は、外縁部51、52の鋼板溶接継手2の長手方向に対する角度が90°とされることで、外縁部51、52が鋼板溶接継手2に対して共に直交し、直線状に連なって形成されている。そして、外縁部51、52の後端51a、52aに横縁部53、54が各々連なるように形成されるとともに、これら横縁部53、54の他端側には下縁部55が形成され、平面視略四角形の長方形に構成されている。
この形状であれば、図1(b)に示されているように、溶接継手の上下どちらの方向から脆性き裂が伝播してきても、同様の効果を発揮することができる。
外縁部51、52の鋼板溶接継手2の長手方向に対する角度θを上記範囲とし、外縁部51、52が鋼板溶接継手2に対して傾斜又は直交するように形成することにより、仮に、鋼板溶接継手2を伝播する脆性き裂が生じた場合でも、このき裂を確実にアレスタ部材5に導入し、アレスタ部材内部で脆性き裂の進展を効果的に停止させ、溶接構造体Aに大規模な破壊が生じるのを防止することができる。
また、鋼板溶接継手と交差するアレスタ部材の外縁部を直線的に形成した場合、一方の鋼板側の鋼板溶接継手の長手方向に対する角度が120°を超えるとなると、他方の鋼板側の角度が60°未満となり、上記同様、脆性き裂がアレスタ部材に突入することなくアレスタ溶接継手に沿って進行し、き裂の伝播が停止し難くなるおそれがある。
脆性き裂をアレスタ部材により確実に導くためには、外縁部の角度θの好ましい範囲は、75°以上105°以下であり、より好ましい範囲は85°以上95°以下である。
なお、アレスタ部材として、靱性を表す脆性−延性破面遷移温度vTrS2(℃)値がより低い、靭性の高い鋼材を使用すれば、き裂の伝播を停止する効果をより高めることができる。
2T ≦ H ・・・・・ (1)
3d+50 ≦ W ・・・・・ (2)
0.90T ≦ t ・・・・・ (3)
但し、上記(1)〜(3)式中において、T(mm)は前記鋼板の板厚を表し、d(mm)は前記鋼板溶接継手における溶接金属部の幅を表す。
なお、アレスタ部材の高さHと横幅Wは、アレスタ溶接継手の溶接金属部の中点を基準とする。また、外縁部の角度θが90°でない場合、アレスタ部材の高さHは、アレスタ溶接継手と鋼板溶接継手の交差する箇所の間の距離であり、横幅Wは鋼板溶接継手に直角な方向の最大幅である。
進展してきたき裂のエネルギーは、鋼板板厚Tに比例しており、そのエネルギーに応じたアレスタ部材5の高さ寸法Hが必要であることから、上記(1)式を規定した。Hの上限値は設けていないが、実施時には、溶接継手2の寸法に収まる範囲に自ずと規定される。
本発明では、鋼板溶接継手2に沿って伝播してくる脆性き裂CRを、アレスタ部材5に突入させ停止させるようにする。このとき、アレスタ部材の横幅Wが十分でない場合には、脆性き裂がアレスタ材の後端51a、52aで再発生し,脆性き裂を伝播させる主応力方向に垂直、あるいは垂直に近い角度を有する横縁部53、54に沿って伝播することがあることを大型破壊試験で確認済みである。種々の実験の結果、脆性き裂は、溶接継手の幅d程度の距離をジャンプすることを知見しており、少なくとも溶接継手dの3倍の領域は脆性き裂がジャンプする可能性がある。また、伝播中の脆性き裂先端の応力場を解析した結果、負荷応力が300N/mm2程度である場合、応力の高い領域が±25mm程度であることも知見している。そこで、横幅Wの必要下限値を3d+50mmと設定し、大型破壊試験を実施した結果、脆性き裂がアレスタ材の後端51a、52aで再発生することはなく、所定の効果が得られることを確認した。以上のことから、上記(2)式を規定した。なお、Wの上限値は設けていないが、実施時には、溶接継手2の寸法に収まる範囲に自ずと規定される。
アレスタ部材5の板厚tが、鋼板1の板厚の0.90倍に比してより小さい場合、アレスタ部材5に突入したき裂をアレスタ部材5の内部で停止させることができない可能性が高くなる。これは進展してきたき裂のエネルギーは板厚Tに比例しているが、アレスタ部材5の脆性き裂伝播停止特性Kcaがちょうど6000N/mm1.5である場合、アレスタ部材5の板厚tが、鋼板1の板厚の0.90倍に比してより小さい場合には、試験した鋼板板厚の範囲内では、アレスタ部材の内部にて、き裂を停止できなかった。
アレスタ部材の各寸法値の関係が、上記(1)〜(3)式で表される関係を満たさない場合、鋼板溶接継手に生じたき裂の状態によっては、き裂がアレスタ部材から逸れてしまったり、アレスタ部材5内部でき裂の進展を停止させることができなかったりする危険性がある。
脆性き裂の伝播をアレスタ部材内部でより確実に止めるためには、上記(1)式において、H/Tは、2.5以上が好ましく、3.0以上がより好ましい。さらに、アレスタ部材の高さHは、250mm以上、または300mm以上、さらには、400mm以上がより好ましく、横幅Wは、200mm以上、または250mm以上、さらには、300mm以上がより好ましい。
vTrS3 ≦ vTrS1+20 ・・・・(4)
で表される関係を満たすことがより好ましい。
アレスタ溶接継手6をなす溶接金属部の靱性(ここでは脆性−延性破面遷移温度)と鋼板1の母材靱性との関係が上記関係式を満たすことにより、鋼板溶接継手2にき裂が生じた場合であっても、き裂の伝播方向をアレスタ部材5内部へ効果的に導入することが可能となる。この場合、アレスタ溶接継手6を形成する溶接金属の靱性を低くすることで、耐き裂制御部4により、鋼板溶接継手2で発生した脆性き裂の伝播方向を確実にアレスタ部材5へ導入する作用が効果的に得られる。
アレスタ溶接継手を形成する溶接金属部の靱性と鋼板の母材靱性との関係が上記関係式を満たさない場合、鋼板溶接継手に生じたき裂の状態によっては、このき裂が母材側に逸れ、アレスタ部材によるき裂停止効果が得られなくなる可能性があり、鋼板の母材特性によっては、脆性き裂を停止できない可能性がある。
また、本実施形態では、アレスタ部材5を1枚のみ用いて鋼板1に溶接した構成を説明しているが、これには限定されず、例えば、2枚以上のアレスタ部材を積層して使用することもでき、適宜採用することが可能である。
上記構成とされた溶接構造体Aにおいて、鋼板溶接継手2に脆性き裂が発生した場合の、き裂の伝播を停止させる作用について、以下に説明する。
この際、溶接構造体Aでは、鋼板溶接継手2を長手方向で伝播した脆性き裂が、耐き裂制御部4をなすアレスタ溶接継手6に突入し、さらに、アレスタ部材5に突入する。ここで、アレスタ部材5は、脆性き裂伝播停止特性Kcaが6000N/mm1.5以上とされているので、突入したき裂を効果的に停止させることが可能となる。
このような本実施形態の溶接構造体Aを、例えば、大型船舶や建築構造物、土木鋼構造物等の各種溶接構造物に適用することで、溶接構造物の大型化、破壊に対する高い安全性、建造における溶接の高能率化、鋼材の経済性等々を同時に満たすことが可能となる。
以下に、上述したような溶接構造体Aにおいて、耐き裂制御部4を作製する方法の一例について説明する。
耐き裂制御部4は、衝突や地震などによる大きな破壊エネルギーにさらされたときに、き裂の発生・伝播が予測される鋼板溶接継手の途中に、少なくとも1箇所設けられる。
耐き裂制御部4を設けるためには、アレスタ部材5を配置するための貫通孔3を形成する。貫通孔の形成には、図6(a)に示すように、鋼板の段階で貫通孔となる部分を予め切り欠く方法、鋼板を溶接のために仮組みした状態で切り欠く方法、あるいは、鋼板を溶接した後に貫通孔を形成する方法などがあるが、いずれの方法であってもよい。既存の溶接構造体に貫通孔3を形成して本発明を適用することももちろん可能である。
次いで、脆性き裂伝播停止特性Kcaが6000N/mm1.5以上の鋼材からなるアレスタ部材5を、形成された貫通孔3に挿入する。次いで、アレスタ部材5の外縁部51、52、並びに下縁部53を、それと対向する、鋼板の露出した開先面に対してそれぞれ突合せ溶接することでアレスタ溶接継手6を形成する。このような手順により、鋼板溶接継手2の溶接線Lを中心として鋼板1の各々において対称となるように、アレスタ部材5とアレスタ溶接継手6とからなる耐き裂制御部4を形成する。
また、脆性き裂伝播を可能な限り抑制し、さらに、鋼板溶接継手2及びアレスタ溶接継手6において新たな疲労き裂や脆性き裂の起点が生じるのを防止するため、各溶接継手を、溶接欠陥の無いように、溶接金属で完全に充填することが好ましい。
上記手順により、図2に示すような、本実施形態の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体Aを製造することができる。
上述した溶接構造体Aを適用した船舶構造体の一例を図3の概略図に示す。
図3に示すように、船舶構造体70は、骨材(補強材)71、デッキプレート(水平部材)72、船殻内板(垂直部材)73、船殻外板74を備えて概略構成される。また、図示例の船舶構造体70は、船殻内板73をなす複数の鋼板1同士を突合せ溶接することで形成される鋼板溶接継手(図3中では図示略)の長手方向の一部に耐き裂制御部4が設けられることで、本実施形態の溶接構造体Aを具備する構造とされている。
上記構成の船舶構造体70によれば、本実施形態の溶接構造体Aの構成を適用することにより、例え、鋼板溶接継手を伝播する脆性き裂が発生した場合であっても、耐き裂制御部4により、き裂の伝播方向を効果的に制御できる。これにより、鋼板溶接継手に生じた脆性き裂を安定的に停止させることができ、船殻内板73、ひいては船舶構造体70に大規模な破壊が生じるのを防止することが可能となる。
以下、本発明の実施形態である溶接構造体Bについて、主に図4を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、上述の第1の実施形態の溶接構造体Aと共通する構成については、同じ符号を付与するとともに、その詳細な説明を省略する。
すなわち、図4に示すように、鋼板10が、鋼板溶接継手20の長手方向で配列される少なくとも2以上の長手配列鋼板(図4中の符号21〜24を参照)を突合せ溶接して形成され、この鋼板10、10を突合せ溶接して形成された鋼板溶接継手20に、耐き裂制御部4が設けられる。
長手配列鋼板21、22の間には、突合せ溶接により、長手配列鋼板溶接継手25、26が形成されており、アレスタ部材5における一方の下縁部55側に形成されるアレスタ溶接継手6は、この長手配列鋼板溶接継手25、26に接して設けられている。
このため、溶接構造体Bでは、前記鋼板溶接継手と交差するように形成されたアレスタ部材5の一方の外縁部である下縁部55は、長手配列鋼板溶接継手25、26の形状に沿った同じ形状とされる。
このように、鋼板溶接継手の途中に鋼板溶接継手に交差する溶接継手25、26がある点で、溶接構造体Bは上述の第1の実施形態の溶接構造体Aとは異なっている。
以下、本発明の別の実施形態である溶接構造体Cについて、主に図5を参照しながら、先の実施形態と共通する部分は省略して説明する。
溶接構造体Cも、溶接構造体Bと同様に、突合せ溶接される鋼板が、複数の長手配列鋼板を突合せ溶接されて形成されている場合の例であり、図5に示すように、鋼板10Aが、鋼板溶接継手20Aの長手方向で配列される少なくとも2以上の長手配列鋼板(図5中の符号31〜34を参照)を突合せ溶接して形成され、この鋼板10A、10Aを突合せ溶接して形成された鋼板溶接継手20Aに、耐き裂制御部4が設けられる。
溶接構造体Cでは、図示のように、長手配列鋼板を突合せ溶接して形成された長手配列鋼板溶接継手35、36が、耐き裂制御部4を構成するアレスタ部材5の下縁部55側に形成されるアレスタ溶接継手を含む構成とされている。
また、図示の溶接構造体Cでは、長手配列鋼板溶接継手35、36が連なって直線状に形成されている。
そして、アレスタ部材5に突入した脆性き裂CRは、脆性き裂伝播停止特性Kcaの高い鋼材からなるアレスタ部材5において直ちに停止するので、溶接構造体Cに大規模な破壊が生じるのを防止することが可能となる。
vTrS4 ≦ vTrS1+20 ・・・(5)
で表される関係を満たす構成とされている。
これにより、例えば、図5中における下側の方向から脆性き裂が溶接継手20Aを伝播してきた場合でも、この脆性き裂が溶接継手35又は溶接継手36を伝播してアレスタ部材5に突入し易くなるので、このアレスタ部材5によって脆性き裂を停止させることが可能となる。
まず、製鋼工程において溶鋼の脱酸・脱硫と化学成分を制御し、連続鋳造によって下記表1に示す化学成分の鋳塊を作製した。そして、日本海事協会(NK)規格船体用圧延鋼材KA32、KA36、KA40の規格に準じた製造条件で、前記鋳塊を再加熱して熱間圧延することで、種々の板厚の鋼板を製造した。さらに、この鋼板に対して各種熱処理を施すとともに、この際の条件を制御することにより、母材の脆性き裂伝播停止特性Kca(N/mm1.5)が種々の値になるように適宜調整した。
製造した鋼板から、試験片のサイズが500mm×500mm×板厚のESSO試験(脆性き裂伝播停止試験)片を適宜採取し、−10℃におけるKca特性を評価・確認するとともに、鋼板の脆性−延性破面遷移温度vTrS1(℃)を測定した。表1にKca特性及びvTrS1を合わせて示した。
以上の手順により、鋼板溶接継手2の溶接線Lを中心として鋼板1の各々において対称となるように、アレスタ部材5とアレスタ溶接継手とからなる耐き裂制御部を形成した。
その後、各溶接継手を冷却することにより、図2に示すような溶接構造体(本発明例、参考例、比較例)を製造した。また、上記同様、各鋼板及びアレスタ部材を接合することにより、図4、5に示すような溶接構造体(本発明例、参考例、比較例)を製造した。
上記手順によって製造した溶接構造体について、以下のような評価試験を行った。
まず、図7(a)に示すような試験装置90を準備するとともに、上記手順で作製した溶接構造体のサンプルの各々を適宜調整し、試験装置90に取り付けた。ここで、図7(b)、(c)中に示す鋼板溶接継手2に設けたき裂発生部である窓枠81は、楔をあてがって所定の応力を印加することで強制的に脆性き裂を発生させるためのものであり、切欠き状の先端部は0.2mm幅のスリット加工を施したものである。
次いで、鋼板溶接継手2の溶接線Lと垂直方向に262N/mm2および300N/mm2の引張応力を付与することにより、鋼板溶接継手2に脆性き裂を発生させた。そして、この脆性き裂を、鋼板溶接継手2の溶接線L上で伝播させることにより、溶接構造体の耐脆性き裂伝播性を評価した。この際の雰囲気温度は−10℃とした。
[b]…脆性き裂がアレスタ溶接継手に到達した後、アレスタ部材に突入し、直ちに停止した(図1−bの形態)。
[c]…脆性き裂がアレスタ溶接継手に到達した後、このアレスタ溶接継手に沿って伝播し、次いで再び鋼板溶接継手に戻り、鋼板溶接継手を伝播した(図1−cの形態)。
[d]…脆性き裂がアレスタ溶接継手に到達した後、このアレスタ溶接継手に進入し、さらにアレスタ部材を貫通した後、そのまま鋼板溶接継手を伝播した(図1−dの形態)。
表2〜5に示す参考例1〜15および21〜31は、図2に示す第1の実施形態(参考例)の溶接構造体Aに関する例であり、本発明例16〜18は、図4に示す第2の実施形態の溶接構造体B、本発明例19、20は、図5に示す第3の実施形態の溶接構造体Cに関する例である。
また、表4、5に示す比較例1〜8は、図2に示す溶接構造体Aと同様の構造を有する例であり、比較例9〜12は、図4に示す溶接構造体Bと同様の構造を有する例である。
また、参考例9〜11、本発明例17並びに比較例10、11は、平面視略四角形のアレスタ部材を、外縁部の鋼板溶接継手の長手方向に対する角度が表2に示す所定の角度となるように、直線状とされた上縁部が横縁部に対して傾斜するように形成したものである。これらの例のうち、参考例9〜11、本発明例17並びに比較例10、11は、アレスタ部材の横縁部53、54も傾斜させて、アレスタ部材を全体として台形状に形成した例である。
なお、参考例14は、き裂が下方から進展した場合の例であるが、他の例は、き裂が上方から進展した場合の例である。
また、参考例10、11、22、23は、何れも、アレスタ部材の板厚が鋼板の母材及び溶接継手の厚さよりも小さな例であるが、上記同様、鋼板溶接継手に生じた脆性き裂が、アレスタ部材で直ちに停止し、所定の耐脆性き裂伝播性を発揮することができた。
また、参考例4、15は、アレスタ部材の高さHが(1)式で規定される下限値であるが、アレスタ部材の靱性を表す脆性−延性破面遷移温度vTrS2値が−側に高いので、き裂の伝播をアレスタ部材で停止できた。
比較例1、5の溶接構造体は、アレスタ部材の高さHが不充分であるため、比較例2、はアレスタ部材の板厚tが不充分であるため、比較例4は高さHと板厚tが不充分であるため、それぞれ、脆性き裂がアレスタ溶接継手及びアレスタ部材に突入した後、再び鋼板溶接継手を伝播し、脆性き裂を停止できず、[d]となった例である。
また、比較例3は、アレスタ部材の板厚tと高さHが不充分であるとともに、アレスタ部材のKca特性が不充分であり、上記同様、アレスタ部材で脆性き裂を停止することができず、[d]となった例である。
また、比較例6、9は、アレスタ部材の横幅Wが不適であるため、アレスタ溶接継手に沿って脆性き裂が迂回し、そのまま鋼板溶接継手を伝播し、[c]となった例である。
また、比較例7、12は、アレスタ部材のKca特性が不充分であったため、上記同様、アレスタ部材で脆性き裂を停止することができず、[d]となった例である。
また、比較例8は、アレスタ部材のKca特性が不充分であったため、上記同様、アレスタ部材で脆性き裂を停止することができず、[d]となった例である。
また、比較例10、11は、何れも、アレスタ部材の外縁部の鋼板溶接継手の長手方向に対する角度が本発明の規定範囲外であり、アレスタ部材に脆性き裂を導入することができず、アレスタ溶接継手を迂回した後、そのまま鋼板溶接継手を伝播したため、脆性き裂を停止することができず、[c]となった例である。
1、10、10A 鋼板
2、20、20A 鋼板溶接継手
3、3a、3b 貫通孔
4 耐き裂制御部
5 アレスタ部材
51、52 上縁部
55 下縁部
6、60 アレスタ溶接継手
25、26、35、36 長手配列鋼板溶接継手
21、22、23、24、31、32、33、34 長手配列鋼板
70 船舶構造体
L 溶接線
Claims (4)
- 鋼板を、互いに突合せ溶接することで鋼板溶接継手が形成されてなる溶接構造体において、
前記鋼板溶接継手の少なくとも一箇所に、鋼板溶接継手に発生した脆性き裂の伝播を停止する耐き裂制御部が設けられており、
該耐き裂制御部は、脆性き裂伝播停止特性Kcaが6000N/mm1.5以上の鋼材からなり、前記鋼板溶接継手から前記鋼板にまたがって形成された貫通穴に挿入されたアレスタ部材、及び、該アレスタ部材の外縁部と、それに対向する鋼板母材とが突合せ溶接されて形成されたアレスタ溶接継手を有しており、
前記アレスタ部材の外縁部は、前記鋼板溶接継手の長手方向前後において、該長手方向に対して60°以上120°以下の範囲の角度で前記鋼板溶接継手と交差するように形成されており、前記アレスタ部材の前記鋼板溶接継手の長手方向に沿った高さH(mm)、前記鋼板溶接継手の長手方向と直角な方向の最大幅で表される横幅W(mm)、及び板厚t(mm)の各々の寸法が、下記(1)〜(3)式で表される関係を満足し、
前記鋼板は、前記鋼板溶接継手の長手方向で配列される少なくとも2以上の鋼板からなるとともに、該長手配列鋼板を互いに突合せ溶接することで長手配列鋼板溶接継手が形成されており、前記耐き裂制御部は、前記鋼板溶接継手と交差する一方の外縁部に形成される前記アレスタ溶接継手が前記長手配列鋼板溶接継手に接するように設けられていること、を特徴とする耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
2T ≦ H ・・・・・ (1)
3.2d+50 ≦ W ・・・・・ (2)
0.90T ≦ t ・・・・・ (3)
但し、上記(1)〜(3)式中において、Tは前記鋼板の板厚(mm)を表し、dは前記鋼板溶接継手における溶接金属部の幅(mm)を表す。 - 鋼板を、互いに突合せ溶接することで鋼板溶接継手が形成されてなる溶接構造体において、
前記鋼板溶接継手の少なくとも一箇所に、鋼板溶接継手に発生した脆性き裂の伝播を停止する耐き裂制御部が設けられており、
該耐き裂制御部は、脆性き裂伝播停止特性Kcaが6000N/mm 1.5 以上の鋼材からなり、前記鋼板溶接継手から前記鋼板にまたがって形成された貫通穴に挿入されたアレスタ部材、及び、該アレスタ部材の外縁部と、それに対向する鋼板母材とが突合せ溶接されて形成されたアレスタ溶接継手を有しており、
前記アレスタ部材の外縁部は、前記鋼板溶接継手の長手方向前後において、該長手方向に対して60°以上120°以下の範囲の角度で前記鋼板溶接継手と交差するように形成されており、前記アレスタ部材の前記鋼板溶接継手の長手方向に沿った高さH(mm)、前記鋼板溶接継手の長手方向と直角な方向の最大幅で表される横幅W(mm)、及び板厚t(mm)の各々の寸法が、下記(1)〜(3)式で表される関係を満足し、
前記鋼板は、前記鋼板溶接継手の長手方向で配列される少なくとも2以上の鋼板からなるとともに、該長手配列鋼板を互いに突合せ溶接することで長手配列鋼板溶接継手が形成されており、前記耐き裂制御部は、アレスタ部材の前記鋼板溶接継手と交差する一方の外縁部に形成される前記アレスタ溶接継手が前記長手配列鋼板溶接継手を含むように設けられ、さらに、前記長手配列鋼板溶接継手をなす溶接金属部の靱性を表す脆性−延性破面遷移温度vTrS4(℃)と、前記鋼板の母材靱性を表す脆性−延性破面遷移温度vTrS1(℃)との関係が、次式、vTrS4 ≦ vTrS1+20で表される関係を満たすこと、を特徴とする耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
2T ≦ H ・・・・・ (1)
3.2d+50 ≦ W ・・・・・ (2)
0.90T ≦ t ・・・・・ (3)
但し、上記(1)〜(3)式中において、Tは前記鋼板の板厚(mm)を表し、dは前記鋼板溶接継手における溶接金属部の幅(mm)を表す。 - 前記アレスタ溶接継手における溶接金属部の靱性を表す脆性−延性破面遷移温度vTrS3(℃)と、前記鋼板の母材靱性を表す脆性−延性破面遷移温度vTrS1(℃)との関係が、次式、
vTrS3 ≦vTrS1+20
で表される関係を満たすこと、を特徴とする請求項1に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。 - 前記鋼板の板厚が25mm以上150mm以下であること、を特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
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