JP4858936B2 - 溶接構造体への耐脆性き裂伝播性付与方法 - Google Patents

Description

本発明は、突合せ溶接継手に発生した脆性き裂の伝播を妨げる耐脆性き裂伝播性を、溶接構造体へ付与する方法に関する。
具体的には、厚板を用いて大入熱溶接を適用した溶接構造物の溶接継手に発生する可能性のある脆性き裂の伝播を妨げる耐脆性き裂伝播性を、溶接構造体へ付与する方法に関するものであり、建築構造物や土木鋼構造物等の安全性を向上させうる技術に関する。

鋼構造物を建造するためには溶接を用いることが必須であるが、建造コストを低減させたり建造能率を向上させる目的で、大入熱溶接が広く適用されている。特に、鋼板の板厚が増大すると、溶接の工数が飛躍的に増加するため、極限まで大入熱で溶接しようとする要求が高い。
しかし、大入熱溶接を適用すると、溶接熱影響（ＨＡＺ）部の靭性値が低下し、ＨＡＺ部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。
そのため、大入熱溶接を適用してもＨＡＺ部の破壊靭性が低下しにくい鋼材として、たとえば特許文献１、２等で開示されている発明がなされている。これらの発明では脆性破壊の発生に対する抵抗値である破壊靭性値は向上されているため、通常の使用環境では脆性破壊する可能性は極めて低く抑えられているが、地震や構造物同士の衝突、といった事故、災害等の非常時に万一脆性破壊が発生してしまうと、脆性き裂はＨＡＺ部を伝播し、大規模な破壊に至る危険性が有る。
これまで、板厚２５ｍｍ程度のＴＭＣＰ鋼板等が使用されている溶接継手では、脆性き裂が発生しても、溶接部の残留応力により、脆性き裂が溶接継手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、万一、溶接継手部で脆性き裂が発生しても母材で脆性き裂を停止できると考えられてきた。

しかしながら、鋼構造物が大型化することで、より板厚の大きい鋼板が使用されるようになり、また構造を簡素化するためにも鋼板の厚肉化が有効であるため、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、溶接継手部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、溶接継手部の熱影響域に沿って伝播することが本発明者の８０００トン大型試験機による大型破壊試験により明らかとなった。
本発明者らによる鋼板の脆性破壊に係る試験によれば、板厚５０ｍｍ以下の鋼板に、図１に示すように、鋼板の溶接継手部と交差するように隅肉溶接により骨材（補強板）を取り付けると、鋼板に脆性き裂が発生しても骨材により脆性き裂の伝播が止められて（アレスト）、鋼板の破断に至らないことも多い。
しかし、板厚が５０ｍｍを超え、７０ｍｍ程度と板厚が厚くなると、骨材が取り付けられていても、骨材とは無関係に、母材に逸れることなく、ＨＡＺ部あるいは溶接金属部に沿って脆性き裂が伝播してしまうことのあることを知見した。
特開平０６−０８８１６１号公報 特開昭６０−２４５７６８号公報 Ｋｉｙｏｓｈｉ Ｔａｎａｋａ， ｅｔ．ａｌ．， "Ａ Ｎｅｗ Ｗｉｄｅ Ｐｌａｔｅ Ａｒｒｅｓｔ Ｔｅｓｔ （ＳＣＡ Ｔｅｓｔ） ｏｎ Ｗｅｌｄ Ｊｏｉｎｔｓ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ ｆｏｒ Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，" ＡＳＴＭ ＳＴＰ９０５， １９８６， ｐｐ． ２２−４０

そこで、本発明は、万一、突合せ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致命的な破断を防止できる、溶接構造体への耐脆性き裂伝播性付与方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、溶接構造体において、特定の除去加工とその後の埋め戻し溶接を行うことによって、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、下記のとおりである。
（１） 突合せ溶接継手に発生した脆性き裂の伝播を妨げる耐脆性き裂伝播性を、溶接構造体へ付与する方法であって、溶接部に沿って脆性き裂が伝播する可能性のある溶接継手の、脆性き裂を停止させたい領域に対し、該領域の突合せ溶接継手の一部を、両表面よりガウジング、あるいは機械加工により、板厚中心部を板厚の１／１０以上かつ１／３以下残存させながら部分的に除去した後、該除去部分を、該除去部分の溶接金属より破壊靭性の優れた溶接材料で溶接して埋め戻すことにより、突合せ溶接継手に沿って伝播している脆性き裂を当該突合せ溶接部から逸らせて母材部に脆性き裂を導きだすことを特徴とする、溶接構造体への耐脆性き裂伝播性付与方法。
（２） 前記溶接部の部分的な除去に際し、除去加工部端部と鋼板表面とのなす角度の除去加工部内側の角度（除去加工部角度θ）を４５°以下とすることを特徴とする、上記（１）に記載の溶接構造体への耐脆性き裂伝播性付与方法。
（３） 前記溶接部の部分的な除去に際し、除去加工部部分の表面での幅を、溶接ビード幅と板厚との和以上とすることを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の溶接構造体への耐脆性き裂伝播性付与方法。

本発明によれば、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致命的な破断を防止できる、溶接構造体への耐脆性き裂伝播性付与方法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について図２乃至図４を用いて詳細に説明する。
図２は、本発明方法を適用する鋼板の突合せ溶接継手を示す図である。図２において、５は突合せ溶接継手、６は埋め戻し溶接部を示す。本発明は、図２に示すような、脆性き裂が伝播する可能性のある突合せ溶接継手５において、脆性き裂を停止させる領域に対し、当該領域の突合せ溶接継手の一部をガウジング、あるいは機械加工により除去した後、当該部分を、当該部分の溶接金属より破壊靭性の優れた溶接材料で溶接して埋め戻すことを特徴とする。溶接継手にて発生した脆性き裂は、突合せ溶接継手５を伝播するが、脆性き裂を停止させる領域に対し、当該領域の突合せ溶接継手の一部をガウジング、あるいは機械加工により除去した後、当該部分を、当該部分の溶接金属より破壊靭性の優れた溶接材料で溶接して埋め戻すことによって、この部分の靭性を高くしてき裂の伝播を防止することができる。

図３は、本発明の溶接構造体への耐脆性き裂伝播性付与方法に用いる除去加工・埋め戻し溶接部の詳細図である。図３において、５は突合せ溶接継手、６は埋め戻し溶接部、７は除去加工部を示す。本発明者等は、脆性き裂が伝播する可能性のある突合せ溶接部５において、除去加工部の形状を変えて実験を行い、除去加工部に残存板厚（図３のｄ）があるほうが、耐脆性き裂伝播性に優れることを見出した。これは、除去加工部を板厚中心部で板厚の１／１０以上かつ１／３以下残存させることにより、脆性き裂の伝播位置を板厚中央部では母材熱影響部の細粒部とすることが可能となるため、溶接部での耐脆性き裂伝播性が向上し、脆性き裂を母材に逸らすことができるためである。また，除去加工部に残存板厚がある場合、埋め戻し溶接の施工上、溶接金属の裏側への溶け落ち等を防止するため、施工性が上がり溶接部の特性も向上する。本発明者等は、除去加工に際し片側からの施工と両側からの施工を比較する実験を行い、両側からの加工の方が耐脆性破壊伝播性に優れていることを見出した。
これと類似の現象は、非特許文献１において、溶接部の耐脆性破壊伝播性について、同等の鋼板と溶接材料の組み合わせで、片側からの溶接であるＶ開先と両側からの溶接であるＸ開先を比較した場合、両表面からの溶接であるＸ開先の方が良好であることが示されている。

本発明者らは、種々の実験の結果、除去加工部端部と鋼板表面とのなす角度の除去加工部内側の角度θ（図３参照。）が溶接部の耐脆性き裂伝播性に大きく影響することを見出した。これは、脆性き裂は、主応力方向に垂直な経路を取る傾向があり、そのため、通常開先が傾いた継手の場合は、き裂の経路が部分的に母材にそれる傾向があることによると考えられる。例えば，溶接部の耐脆性破壊伝播性は、同等の鋼板と溶接材料の組み合わせの場合、溶融線（フュージョンライン）が鋼板表面法線方向と一致するレ型開先やＫ開先より、溶融線（フュージョンライン）が鋼板表面法線方向との角度が傾いているＶ開先やＸ開先の方が良好であることが知られている。これは脆性破面の面積を増加させることにより、脆性破壊の伝播に要するエネルギーを増加させ、伝播抵抗を上げることによると考えられる。
本発明者等は、実験の結果、除去加工部端部と鋼板表面との角度の除去加工部内側の角度を４５°以下とすることにより、溶接部での耐脆性き裂伝播性が向上し、脆性き裂を母材に逸らすことができることを見出した。

突合せ溶接部の一部に、ガウジング等により溶接部の一部を削除し、その部分に埋め戻し溶接を施し、その埋め戻し溶接部が脆性き裂の伝播を阻止しうる性能を発揮できるか否かを種々の試験を行った。試験にあたっては、直進してくる脆性き裂を阻止しうるか否かを評価するため、図４に示すように、２５００ｍｍ×２５００ｍｍの鋼板を用い、その試験片中央部に種々の除去加工をガウジングまたは機械加工にて行い、埋め戻し溶接をした試験片を作製した。そして、その試験片端部から２００ｍｍの位置に楔を挿入して脆性き裂を発生させるためのＶ字の切り欠き加工を突き合わせ溶接部（エレクトロガス溶接による大入熱溶接継手）の溶融線（フュージョンライン）に一致するように施し、試験片端部を−４０℃程度の低温に冷却し、試験片中央部をー１０℃にコントロールして、所定の応力を負荷した後、Ｖ切り欠き部に楔を打ち込み、脆性き裂を発生させ、突合せ溶接部の溶融線（フュージョンライン）に沿って、脆性き裂を伝播させた。伝播した脆性き裂が、埋め戻し溶接部に到達した後、その脆性き裂が伝播するか否かを評価した。

本発明の実施例を表１に示す。Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１１は、本発明に従って、溶接部を除去して埋め戻し溶接を行った本発明例であって、いずれの実施例も、耐き裂伝播性が良好であった。伝播位置がＦＬ（Ｆｕｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ）とは、き裂が溶融線（フュージョンライン）に沿って伝播したことを示し、停止とは、き裂が埋め戻し溶接領域内で停止したことを示し、停止位置が母材とは、き裂が埋め戻し溶接領域内を伝播し母材に逸れて停止し、破断しなかった。
一方、Ｎｏ．１２〜Ｎｏ．１７は比較例であって、Ｎｏ．１４〜Ｎｏ．１７は溶接部の除去および埋め戻し溶接を行ったが、残存板厚ｄ、除去加工部角度θ、除去加工部幅Ｗが本発明の範囲外のため、き裂が伝播した。即ち、Ｎｏ．１２及びＮｏ．１３は残存板厚が０で除去加工部角度が大きすぎたためき裂が溶融線（フュージョンライン）に沿って伝播した。また、Ｎｏ．１４及びＮｏ．１５は残存板厚が０で除去幅が小さすぎたためき裂が溶接金属に伝播した。また、Ｎｏ．１６及びＮｏ．１７は、溶接部の除去および埋め戻し溶接を行わなかったので、突合せ溶接部で発生させた脆性き裂が、その溶接継ぎ手に沿って伝播し、試験片が真っ二つに破断した。

骨材を配置した溶接構造体を示す図である。 本発明に係る除去加工と埋め戻し溶接を施した溶接構造体を説明する図である。 本発明に係る溶接構造体への耐脆性き裂伝播性付与方法を示す図である。 本発明の実施例に用いた試験片を示す図である。

１ 鋼板
２ 突合せ溶接継手部
３ 骨材（補強材）
４ 隅肉溶接部
５ 突合せ溶接継手
６ 埋め戻し溶接部
７ 除去加工部、
８ 切欠き

Claims (3)

1. 突合せ溶接継手に発生した脆性き裂の伝播を妨げる耐脆性き裂伝播性を、溶接構造体へ付与する方法であって、溶接部に沿って脆性き裂が伝播する可能性のある溶接継手の、脆性き裂を停止させたい領域に対し、該領域の突合せ溶接継手の一部を、両表面よりガウジング、あるいは機械加工により、板厚中心部を板厚の１／１０以上かつ１／３以下残存させながら部分的に除去した後、該除去部分を、該除去部分の溶接金属より破壊靭性の優れた溶接材料で溶接して埋め戻すことにより、突合せ溶接継手に沿って伝播している脆性き裂を当該突合せ溶接部から逸らせて母材部に脆性き裂を導きだすことを特徴とする、溶接構造体への耐脆性き裂伝播性付与方法。
2. 前記溶接部の部分的な除去に際し、除去加工部端部と鋼板表面とのなす角度の除去加工部内側の角度を４５°以下とすることを特徴とする、請求項１に記載の溶接構造体への耐脆性き裂伝播性付与方法。
3. 前記溶接部の部分的な除去に際し、除去加工部部分の表面での幅を、溶接ビード幅と板厚との和以上とすることを特徴とする、請求項１または２に記載の溶接構造体への耐脆性き裂伝播性付与方法。

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