JP4995348B2 - 突合せ溶接継手及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、突合せ溶接継手及びその製造方法に関する。
本願は、２００９年１２月４日に、日本に出願された特願２００９−２７７００７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

近年、地球環境の温暖化の一因とされるＣＯ_２ガスの削減や、石油等の化石燃料の将来的な枯渇に対処するため、再生可能な自然エネルギーの利用が積極的に行われている。風力発電もその一つであり、大規模な風力発電が世界的に普及しつつある。
ここで、風力発電に最も適している地域は、絶えず強風を期待できる地域である。特に、このような条件を満足する洋上での風力発電（洋上風力発電）も世界的規模で計画及び実現されている（特許文献１〜４参照）。

洋上に風力発電用の塔を建設するためには、海底の地盤に塔の基礎部分を打ち込む必要がある。海水面から風力発電のタービン翼の高さを十分確保するためには、この基礎部分が十分な長さを持つことが必要である。そのため、風力発電用の塔の基礎部分で使用する鋼板の板厚は、基礎部分の長さに応じて厚くし、強度や剛性を確保しなければならない。例えば、ジャケット型基礎では板厚３０ｍｍ以上の鋼板を用いる。モノパイル型基礎においては板厚が５０ｍｍ以上（例えば、１００ｍｍ程度）を用いる。さらに基礎部分は直径が４ｍ程度の大断面を有する管構造となり、塔の全体高さは８０ｍ以上にもなる。

しかしながら、このような巨大構造物を建設現場近くの海岸で、簡易に、しかも高能率で溶接組み立てすることは非常に困難であった。さらに、上記のような最大板厚１００ｍｍにもおよぶ極厚鋼板を高能率で、しかも現地で溶接するという、従来にないニーズが生じてきた。

一般に、電子ビーム溶接やレーザビーム溶接などの高エネルギー密度ビーム溶接は、効率的に溶接できる溶接方法である。しかし、高エネルギー密度ビーム溶接を行うための条件を整えることは簡易ではなく、特に、電子ビーム溶接においては、真空チャンバー内で高真空状態を維持して溶接する必要があるので、従来は、溶接できる鋼板の大きさが限られていた。

これに対して、近年、板厚１００ｍｍ程度の極厚鋼板を効率よく、しかも現地で溶接できる溶接方法として、低真空下で施工が可能な減圧電子ビーム溶接（ＲＰＥＢＷ：Reduced Pressured Electron Beam Welding）が英国の溶接研究所で開発され、提案されている（特許文献５）。

洋上の風力発電塔は、上記のように絶えず強風や波にさらされる。このため、塔の基礎部分の構造体は、強風や波、さらにはタービン翼の回転による振動により絶え間なく繰り返し荷重を受けることとなる。
このような環境下において、塔の基礎部分における溶接部には、通常の疲労サイクルとはオーダーが異なるギガサイクル域の振動に対する耐疲労特性が要求されていた。特に、溶接ビード（溶接金属）の止端部では応力集中が大きくなり、溶接継手の繰り返し荷重に対する疲労強度が低下するという問題が生じていた。

このような止端部への応力集中を緩和するための対策として、従来、図３Ａ及び図３Ｂに示されるような、鋼板２１と溶接ビード２２の止端部における曲率半径ρと接触角θを大きくすることにより応力集中を緩和する技術が提案されてきた。
なお、図３Ａは、従来の突合せ溶接継手の溶接ビードの一例を示す断面模式図である。また、図３Ｂは、図３Ａ中に示す溶接ビードの止端部Ｔ近傍の拡大断面模式図である。

例えば、特許文献６では、フラックス成分及びシールドガス成分を調整することにより、上記の曲率半径ρおよび接触角θを大きくすることが提案されている。

また、特許文献７では、鋼板の厚さに対する溶接ビード幅の比率を０．２以下とすることにより、溶接ビードの止端部における応力集中を小さくすることが提案されている。

特開２００８−１１１４０６号公報 特開２００７−０９２４０６号公報 特開２００７−３２２４００号公報 特開２００６−０３７３９７号公報 国際公開９９／１６１０１号パンフレット 特開平４−３６１８７６号公報 特開２００４−１８１５３０号公報

上記したように、溶接ビードの止端部では応力集中の度合いが増大してしまう。その結果、風力や波力、タービン翼の回転等によるギガサイクル域の振動による繰り返し荷重に対する突合せ溶接継手の疲労強度が低下するという問題がある。
しかし、このような止端部の応力集中への対応策とする上記従来技術では、次のような課題がある。

特許文献６の方法は、ガスシールドアーク溶接によるもので、高エネルギー密度ビーム溶接によりシールドガスを使用しないで溶接する本課題に適用することはできない。

また、特許文献７では、溶接ビードの形状が特定されているにすぎず、具体的にどのようにして上述したような溶接ビード幅を形成するのか、またそのための溶接条件等が何ら開示されていない。したがって、再現性に欠け、工業的に利用することが極めて困難であるという問題がある。
さらに、溶接継手における２００万回疲労強度の向上について言及されているにすぎず、ギガサイクル域の振動に対する耐疲労特性を向上させる本課題に適用することはできない。

本発明は、このような問題を生じることなく、一対の鋼板に対して電子ビーム溶接などによる高エネルギー密度ビーム溶接を行う際に、溶接ビードの止端部における応力集中を緩和し、ギガサイクル域の振動に対しても耐えうる疲労特性を有し、かつ十分な破壊靱性を有する突合せ溶接継手を簡易に、かつ再現性をもって提供することを目的とする。

本発明は上記課題の対策として、電子ビーム溶接などの高エネルギー密度ビーム溶接における溶接部において、溶接ビードを再溶融し再溶融ビードを形成することにより、溶接ビードの止端部における応力集中を緩和し疲労特性を向上させるものである。

本発明の概要は以下のとおりである。
（１）本発明の一態様に係る突合せ溶接継手は、一対の鋼板と、一対の前記鋼板の突合せ部に、一対の前記鋼板の第１面側からの第１高エネルギー密度ビームの照射により、前記第１面側から、前記第１面の反対の第２面側に渡って形成された第１の溶接金属と、前記第１の溶接金属の前記第１面側の端面を覆う、第２高エネルギー密度ビームの照射により形成された第２の溶接金属と、を備え、前記第１面における前記第１の溶接金属の幅Ｗ_１と、前記第１面における前記２の溶接金属の幅Ｗ_２とが下記式（１）を満たし、前記第２の溶接金属の前記第１面からの深さが２．０〜１０．０ｍｍであり、前記鋼板の板厚の中心における前記第１の溶接金属の幅Ｗ _３ が、前記鋼板の板厚の１５％以下であり、前記鋼板の板厚が３０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である。
１．２≦Ｗ_２／Ｗ_１≦３．５ ・・・（１）
（２）上記（１）に記載の突合せ溶接継手では、前記第１の溶接金属の前記第２面側の端面を覆う、第３高エネルギー密度ビームにより形成された第３の溶接金属を備え、前記第２面における前記第１の溶接金属の幅Ｗ_４と、前記鋼板の前記第２面における前記第３の溶接金属の幅Ｗ_５とが下記式（２）を満たし、前記第３の溶接金属の前記第２面からの深さが２．０〜１０．０ｍｍであってもよい。
１．２≦Ｗ_５／Ｗ_４≦３．５ ・・・（２）
（３）上記（１）または（２）に記載の突合せ溶接継手では、前記鋼板が、降伏強さが３５５ＭＰａ以上である鋼板であってもよい。
（４）上記（１）〜（３）の何れか一項に記載の突合せ溶接継手は、風力発電塔の基礎部分を構成する構造体又は鋼管柱に使用されていてもよい。

（５）本発明の一態様に係る突合せ溶接継手の製造方法は、一対の鋼板の突合せ部に、第１高エネルギー密度ビームを照射し、一対の前記鋼板の前記第１高エネルギー密度ビームの照射側である第１面における幅がＷ_１である第１の溶接金属を形成する工程と、前記第１の溶接金属に、前記第１高エネルギー密度ビームのエネルギー密度よりも低いエネルギー密度である第２高エネルギー密度ビームを照射し、前記鋼板の前記第１面における幅がＷ_２である第２の溶接金属を形成する工程と、を有し、前記幅Ｗ_１と前記幅Ｗ_２が下記式（３）を満たし、前記第２の溶接金属の前記第１面からの深さを２．０〜１０．０ｍｍとし、前記鋼板の板厚の中心における前記第１の溶接金属の幅Ｗ _３ を前記鋼板の板厚の１５％以下とし、前記鋼板として、板厚が３０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である鋼板を用いる。
１．２≦Ｗ_２／Ｗ_１≦３．５ ・・・（３）
（６）上記（５）に記載の突合せ溶接継手の製造方法では、前記第１高エネルギー密度ビーム及び前記第２高エネルギー密度ビームがともに電子ビームであってもよい。
（７）上記（５）または（６）に記載の突合せ溶接継手の製造方法では、前記第１高エネルギー密度ビームの照射及び前記第２高エネルギー密度ビームの照射はともに、一対の前記鋼板の溶接部形成領域及びその周辺のみを真空下として行われてもよい。
（８）上記（５）〜（７）の何れか一項に記載の突合せ溶接継手は、前記第１面の反対の第２面における前記第１の溶接金属に、前記第１高エネルギー密度ビームのエネルギー密度よりも低いエネルギー密度である第３高エネルギー密度ビームを照射し、前記第２面における幅がＷ _５ である第３の溶接金属を形成する工程を有し、前記第２面における前記第１の溶接金属の幅Ｗ _４ と、前記鋼板の前記第２面における前記第３の溶接金属の幅Ｗ _５ とが下記式（４）を満たし、前記第３の溶接金属の前記第２面からの深さが２．０〜１０．０ｍｍである。
１．２≦Ｗ _５ ／Ｗ _４ ≦３．５ ・・・（４）
（９）上記（５）〜（８）の何れか一項に記載の溶接継手の形成方法では、前記鋼板として、降伏強さが３５５ＭＰａ以上である鋼板を用いてもよい。

本発明によれば、一対の高強度鋼板を高エネルギー密度ビーム溶接して溶接構造体とする際、第１の溶接金属を再溶融し、第１の溶接金属の止端部よりもなだらかな止端部を有する第２の溶接金属を形成することにより、止端部における応力集中が緩和される。その結果、ギガサイクル域の振動環境における耐疲労特性を有し、かつ、破壊靱性に優れた突合せ溶接継手を製造することができる。

本実施形態における突合せ溶接継手を示す断面模式図である。 本実施形態における突合せ溶接継手を示す断面模式図である。 本実施形態における突合せ溶接継手の第１の溶接金属２の幅Ｗ_１の推定方法を説明するための断面模式図である。 従来の突合せ溶接継手の溶接ビードの一例を示す断面模式図である。 図３Ａ中に示す溶接ビードの止端部Ｔ近傍の拡大断面模式図である。

本発明は、一対の高強度鋼板に、電子ビームやレーザビームなどの高エネルギー密度ビームを照射する溶接（高エネルギー密度ビーム溶接）により形成される溶接ビードにおいて、この溶接ビード（第１の溶接金属）を再溶融して再溶融ビード（第２の溶接金属）を形成することにより、第１の溶接金属の止端部における応力集中を緩和し、ギガサイクル域の振動環境における耐疲労特性を向上させる。
以下に、図を参照しながら本発明の一実施形態に係る突合せ溶接継手について説明する。

図１Ａは、本実施形態による突合せ溶接継手の第１の溶接金属の長手方向に垂直な方向の断面模式図を示す。図１Ａに示すように、本実施形態に係る突合せ溶接継手は、一対の鋼板１の突合せ部に、一対の鋼板１の第１面１Ａ側からの第１高エネルギー密度ビームの照射により形成された第１の溶接金属２と、第１の溶接金属２の第１面１Ａ側の全端面を覆う、第２高エネルギー密度ビームの照射により形成された第２の溶接金属３Ａと、を備えている。なお、第１の溶接金属２は、第１面１Ａ側から、第１面１Ａの反対の第２面１Ｂ側に渡って形成されている。
また、第１の溶接金属２の第１面１Ａにおける幅Ｗ_１と、第１面１Ａにおける第２の溶接金属３Ａの幅Ｗ_２とが下記式（１）と満たし、第２の溶接金属３Ａの第１面１Ａからの深さＤ_１が２．０〜１０．０ｍｍである。
１．２≦Ｗ_２／Ｗ_１≦３．５ ・・・（１）

ここで、Ｗ_１は、上述したように、第１高エネルギー密度ビーム照射側である第１面１Ａにおける第１の溶接金属２の推定幅（Ｗ_１の推定方法は後述する。）である。また、Ｗ₂は、第２高エネルギー密度ビームの照射により形成された第２の溶接金属３Ａの、第１面１Ａにおける幅である。
図１Ａに示すように、第１の溶接金属２のうち、第１高エネルギー密度ビームの照射側の端面は、第２の溶接金属３Ａに覆われている。また、この第２の溶接金属３Ａの止端部の形状は、図３Ａに示す従来の溶接ビードと比較してなだらかになっている。これにより、止端部における応力集中が緩和される。

また、本実施形態において、第２の溶接金属３Ａの幅Ｗ_２が、第１の溶接金属の幅Ｗ_１に対して１．２≦Ｗ_２／Ｗ_１≦３．５を満たすことが必要である。
第２の溶接金属３Ａの幅Ｗ_２と第１の溶接金属の幅Ｗ_１との比Ｗ_２／Ｗ_１が小さすぎると、応力集中を緩和する効果が減少するため、Ｗ_２／Ｗ_１を１．２以上とする。また、必要に応じて、Ｗ_２／Ｗ_１を１．２以上又は１．８以上としてもよい。
一方、第２の溶接金属３Ａの幅Ｗ_２が広くなると、第１面１Ａ上において、第２の溶接金属３Ａの止端部に生じる溶接線に垂直な方向の引張残留応力の悪影響が無視できなくなる。さらに、Ｗ_２／Ｗ_１が大きくなりすぎると粗粒域が増加して、継手靭性が低下するおそれがある。これらの理由により、Ｗ_２／Ｗ_１を３．５以下とする。また、必要に応じて、Ｗ_２／Ｗ_１を３．２以下又は２．８以下としてもよい。

ここで、第１高エネルギー密度ビームの照射により形成された第１の溶接金属２の第１面１Ａ側の端面の形状は、第２の溶接金属３Ａの形成後は直接確認することはできない。しかし、第１面１Ａ側における、第１の溶接金属２の幅Ｗ_１は以下に示す方法により推定することができる。

図２に、本実施形態における、第１の溶接金属２及び第２の溶接金属３Ａの位置関係を説明するための断面模式図を示す。図２は、第１の溶接金属２の長手方向に垂直な方向の断面図である。
この断面における第１の溶接金属２と第２の溶接金属３Ａの境界線のうち、第１の溶接金属２の幅方向の両端点を、Ｃ１、Ｃ２とする。
次に、同断面における一方の母材（鋼板１）と第１の溶接金属２の境界線であるＬ１上において、第２の溶接金属３Ａの最深部と概略同一の深さの位置をＳ１とする。なお、また、他方の母材と第１の溶接金属２との境界線Ｌ２上においても同様にＳ２を定義する。

次に、Ｓ１、Ｓ２をそれぞれＣ１、Ｃ２と結んだ直線をそれぞれＬ１´、Ｌ２´とする。そして、Ｌ１´及びＬ２´と第１面１Ａとの交点をｔ１、ｔ２とする。ｔ１とｔ２との距離ｔは、第２の溶接金属３Ａ形成前の第１の溶接金属の幅Ｗ_１を十分な精度で近似する。このため、距離ｔをＷ_１とみなすことができる。

本実施形態において、第２の溶接金属３Ａにおける鋼板１の第１面１Ａからの深さＤ_１は２．０〜１０．０ｍｍとする必要がある。第２の溶接金属３Ａの深さＤ_１が浅すぎると、第１の溶接金属２の止端部の形状変化が少なく、応力集中を緩和する効果が減少するおそれがあるため、深さＤ_１を２．０ｍｍ以上とする。必要に応じて、深さＤ_１を３．０ｍｍ以上又は４．０ｍｍ以上としてもよい。
一方、第２の溶接金属３Ａの深さＤ_１が深すぎると、鋼板１内部の第２の溶接金属３Ａ近傍に付与される引張残留応力が大きくなり、耐疲労特性を低下させるおそれがある。さらに、溶接部及びその近傍の脆性劣化を引き起こす可能性もあるため、深さＤ_１を１０．０ｍｍ以下とする。必要に応じて、深さＤ_１を９．０ｍｍ以下、８．０ｍｍ以下又は７．０ｍｍ以下としてもよい。
なお、本実施形態における深さＤ_１とは、第２高エネルギー密度ビーム照射側の第１面１Ａから第２の溶接金属３Ａの最深部までの距離である。

また、図１Ｂに示すように、本実施形態に係る突合せ溶接継手において、第１の溶接金属２の端面のうち、第１面１Ａの反対側の第２面１Ｂ側の端面を覆うように、第３の溶接金属３Ｂが形成されていてもよい。このとき、第２面１Ｂにおける第１の溶接金属２の幅Ｗ_４と、第２面１Ｂにおける第３の溶接金属の幅Ｗ_５とが下記式（２）を満たし、第３の溶接金属３Ｂの第２面１Ｂからの深さＤ_２が２．０〜１０．０ｍｍであることが好ましい。
１．２≦Ｗ_５／Ｗ_４≦３．５ ・・・（２）
また、第３の溶接金属３Ｂは、第３高エネルギー密度ビームにより形成することができる。
なお、第１高エネルギー密度ビームの照射により形成された第１の溶接金属２の第２面１Ｂ側の端面の形状は、第３の溶接金属３Ｂの形成後は直接確認することはできないが、第１の溶接金属２の幅Ｗ_１の推定方法と同様の方法により、第２面１Ｂ側における第１の溶接金属２の幅Ｗ_４を推定することができる。
このように、第２の溶接金属３Ａと第３の溶接金属３Ｂとを設けることにより、鋼板１の表裏面ともに耐疲労特性を向上させることができる。

なお、上述の第１高エネルギー密度ビーム、及び第２高エネルギー密度ビーム及び第３高エネルギー密度ビームとしては、電子ビーム、レーザビーム等を使用することができる。

また、上述の第１高エネルギー密度ビーム溶接は、例えば、電子ビームを用いた場合、板厚５０ｍｍの鋼板を使用するとき、加速電圧１５０Ｖ、ビーム電流１８０ｍＡ、溶接速度１００〜３００ｍｍ／分程度の条件で照射されてもよい。

また、上述の第１高エネルギー密度ビーム溶接を行う際、一対の鋼板１の突合せ面に厚さ０．１ｍｍ程度の金属箔を挿入して溶接し、突合せ溶接継手を製造してもよい。この金属箔としては、例えば、Ｎｉ箔等を例示できる。このように、第１高エネルギー密度ビーム溶接の際に金属箔を挿入することによって、溶接部の靭性劣化を防ぐことができる。

また、上述の第２高エネルギー密度ビームの照射は、第１高エネルギー密度ビーム溶接における入熱量の１／１０程度の入熱量、例えば、加速電圧９０Ｖ、ビーム電流６０ｍＡ、溶接速度５００ｍｍ／分超の条件で照射されてもよい。これは、第１の溶接金属を再溶融する際の入熱量が少なすぎると、止端部の応力集中の緩和の効果が低く、一方、入熱量が多すぎると、溶接部の靭性劣化の原因となり得るためである。

また、第２高エネルギー密度ビームの照射を行う際、高速度のオシレーション機能を使用することが好ましい。これは、第１の溶接金属の両止端部を同時に溶融可能となるため、例えばＴＩＧアークを用いた第１の溶接金属止端部の再溶融処理（ＴＩＧドレッシング）に比べて大幅に高速度で止端部の再溶融が可能となるためである。なお、本発明の実施に際し、測定された幅Ｗ_１をもとに、加速電圧、ビーム電流、溶接速度又はオシレーション条件などを調整することにより、目標とする幅Ｗ_２と深さＤ_１を容易に達成するができる。
なお、第３の溶接金属３Ｂを形成するための第３高エネルギー密度ビームの照射条件としては、上述した第２高エネルギー密度ビームの照射条件と概略同一としても構わないが、本実施形態の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更してもよい。

第１高エネルギー密度ビームによる溶接時にビームの照射領域が大きくなると、鋼板に与える入熱量が過大となる。この結果、ＦＬ（Ｆｕｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ）部の組織が粗大化したり、脆化相である島状マルテンサイト（ＭＡ：Ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ−Ａｕｓｔｅｎｉｔｅ ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔ）が生成したりする。このため、ビームの照射域の増大は、溶接金属やＦＬ部の靭性を低下させるおそれがあるので好ましくない。

また、第１高エネルギー密度ビーム溶接としてＲＰＥＢＷ溶接を用いて溶接継手を作製する場合は、真空チャンバー内の高真空状態で電子ビーム溶接（ＥＢＷ溶接）により作製した溶接継手に比べ、第１の溶接金属の幅が増大する傾向にある。

このため、ＲＰＥＢＷ溶接を用いた場合でも、突合せ溶接継手のシャルピー値ｖＥを安定して確保するために、第１の溶接金属の幅Ｗ_１を、鋼板の板厚の３０％以下又は２０％以下とすることが好ましい。
また、鋼板の板厚の中心における第１の溶接金属の幅Ｗ_３を、１５％以下または１０％以下とすることが好ましい。単に、幅Ｗ_１を１５ｍｍ以下、１１ｍｍ以下又は７ｍｍ以下に制限してもよい。幅Ｗ_３を７ｍｍ以下、６ｍｍ以下又は５ｍｍ以下に制限してもよい。
また、第１の溶接金属の幅Ｗ_１及びＷ_３が狭すぎると第１高エネルギー密度ビームの入射方向や安定性によっては開先面を完全に溶融させることが困難となるため、第１の溶接金属の幅Ｗ_１は、鋼板の板厚の２％以上とするともに、第１の溶接金属の幅Ｗ_３は、鋼板の板厚の中心において、鋼板の板厚の２％以上とすることが好ましい。

また、本実施形態に係る溶接継手は、高強度鋼板を高エネルギー密度溶接して溶接構造体とするために用いられる。使用される鋼板は、これに限定されないが、好ましくは降伏強さが３５５ＭＰａ以上のものである。このような高強度鋼板としては、公知の成分組成の溶接用構造用鋼から製造したものでよい。なお、鋼板の降伏強さを６００ＭＰａ以下としてもよい。または鋼板の引張強さを４００ＭＰａ以上又は４９０ＭＰａ以上、若しくは７８０ＭＰａ以下又は６９０ＭＰａ以下に制限してもよい。

例えば、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．２０％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜２．１％、Ａｌ：０．００１〜０．２０％、Ｎ：０．０２％以下、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：０．５０〜４．０％を基本成分とし、母材強度や継手靭性の向上等、要求される性質に応じて、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｗ、Ｃｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、ＲＥＭ、Ｙ，Ｃａ、Ｍｇ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｂの内の１種又は２種以上を合計８％以下または３％以下で含有する鋼を使用することができる。

鋼板の板厚は特に限定されないが、上記のような課題が顕在化するのは、板厚が３０ｍｍ以上の高強度鋼板である。しかしながら、板厚３０ｍｍ以上に限定する必要はない。板厚６ｍｍ以上であれば、本発明の効果を発揮できるので、板厚６ｍｍ以上としてもよい。必要に応じて、板厚１２ｍｍ以上又は板厚２０ｍｍ以上としてもよい。板厚５０ｍｍ以上ではより高い効果が得られるため、板厚５０ｍｍ以上としてもよい。一方、板厚が非常に厚くなると、高エネルギー密度ビーム溶接が困難になるため、板厚２００ｍｍ以下、板厚１５０ｍｍ以下又は板厚１００ｍｍ以下に制限してもよい。
なお、風力発電塔などでは、鋼板を曲げ加工した後に鋼管に溶接したり、または、鋼管同士を溶接したりすることも行われている。この場合も基本的には、曲げ加工された鋼板の突合せ溶接である。したがって、このような曲げ加工された鋼板から鋼管を製造するための溶接や、鋼管同士の溶接にも、本発明は適用できる。

本実施形態における突合せ溶接継手において、第１の溶接金属、第２の溶接金属及び第３の溶接金属の硬さは、鋼板の母材の硬さの１１０％以上１５０％以下であることが好ましい。これらの溶接金属の硬さは、焼入性を確保して粗大なフェライトが生成しないようにするためには、好ましくは、鋼板の母材の硬さの１１０％以上である。しかし、硬すぎると局所的な応力の増大による破壊靱性の劣化をまねくので、１５０％以下であることが好ましい。

上記のような硬度差は、溶接後の冷却速度を調整することで、溶接金属の硬度が高くなり過ぎないようにすることにより達成できる。

本実施形態における突合せ溶接継手によれば、第１の溶接金属が再溶融され、第１の溶接金属の止端部よりもなだらかな止端部を有する第２の溶接金属及び第３の溶接金属が形成されている。その結果、第２の溶接金属及び第３の溶接金属の止端部における応力集中が緩和され、ギガサイクル域の振動環境における耐疲労特性を向上させることができる。さらに、十分な破壊靱性も得ることができる。

そのため、ギガサイクル域の振動に対する耐疲労特性が要求されている風力発電塔の基礎部分を構成する構造体や鋼管柱などとして使用することが可能となる。

また、本実施形態における突合せ溶接継手の製造方法において、第１高エネルギー密度ビーム、第２高エネルギー密度ビーム及び第３高エネルギー密度ビームの照射はともに、鋼板の溶接部形成領域及びその周辺のみを真空下として行うことが好ましい。
このような条件でビームの照射を行うことにより、例えば洋上風力発電用の塔等の巨大構造物を建設現場近くで、簡易にかつ高能率に溶接することができる。その結果、本実施形態にかかる突合せ溶接継手を簡易かつ高能率に製造することができる。

次に、本発明を実施例に基づいて説明するが、実施例における条件は、本発明の実施可能性およ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、これらの条件例のみに限定されない。

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、種々の条件ないし条件の組み合わせを採用し得るものである。

表１に示す化学組成、各板厚における降伏強さ及び引張強さを有する鋼板を用いて、表３に示す溶接条件で電子ビーム溶接（第１高エネルギー密度ビームによる溶接）を行い、電子ビーム照射側の鋼板表面における幅がＷ_１の第１の溶接金属を有する突合せ溶接継手を作成した。また、鋼板の板厚ｔの中心（ｔ／２）における第１の溶接金属の幅Ｗ_３を表５に示すようになるよう調整した。
なお、必要に応じて、表２に示す成分を有する、厚さ０．１ｍｍの金属箔を開先面に挿入して突合せ溶接継手を作成した。

次に、表４に示す再溶融条件で、電子ビーム溶接（第２高エネルギー密度ビームによる溶接）を行い、第１の溶接金属の照射側の端面を覆うように第２の溶接金属を形成した。この際、第２の溶接金属の深さＤ_１、入熱量及び幅Ｗ_２を調整しながら、表５に示すような形状を有する第２の溶接金属を形成した。また、第２の溶接金属の幅Ｗ_２の調整には電子ビーム溶接機に付属のオシレート機能を使用した。
また、試験番号１９については、表４に示す再溶融条件Ｅ３で、第２高エネルギー密度ビームによる溶接を行い、第１の溶接金属の照射側の端面を覆うように第２の溶接金属を形成するとともに、再溶融条件Ｅ１で、第３高エネルギー密度ビームによる溶接を行い、第１の溶接金属の第１高エネルギー密度ビーム照射側とは反対側の端面を覆うように、第３の溶接金属を形成した。この際、第３の溶接金属の深さＤ_２、入熱量及び幅Ｗ_５を調整しながら、表５に示すような形状を有する第３の溶接金属を形成した。
なお、第１高エネルギー密度ビーム、第２高エネルギー密度ビーム及び第３高エネルギー密度ビームによる溶接はともに、表５に示す真空度においてそれぞれ行った。また、表５の試験番号１９における下段の数値（括弧内の数値）は、第３高エネルギー密度ビームの照射の際の再溶融条件、鋼板裏面における第１の溶接金属の幅（Ｗ_４）、第３高エネルギー密度ビームの照射により形成された第３の溶接金属の幅（Ｗ_５）、再溶融比率（Ｗ_５／Ｗ_４）、第３の溶接金属の深さ（Ｄ_２）をそれぞれ示す。

以上のようにして得られた突合せ溶接継手の性能に関し、表５に示す継手特性を評価した。
まず、シャルピー値ｖＥ（Ｊ）は、溶接継手の表面直下からノッチ位置が第２の溶接金属の中央となるような２ｍｍＶノッチシャルピー試験片を採取し、衝撃試験において、−４０℃の試験温度で求めた値である。その結果を表５に示す。なお、シャルピー衝撃試験は、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に準拠して行った。

疲労試験は、得られた突合せ溶接継手からＪＩＳ Ｚ ３１０３−１９８７に準拠した疲労試験片を採取し、油圧サーボ疲労試験機（Ｈｚ）を用いて行った。試験条件としては、雰囲気は室温大気中、応力比０．１、繰り返し速度５〜４０Ｈｚ、応力範囲は８０〜２００ＭＰａで行った。疲労強度は表５に示すように、破断寿命が繰り返し数２００万回（２×１０^６回）における継手疲労強度Ｆ１とギガサイクル（１０^９回）に対応する継手疲労強度Ｆ２を測定した。
また、上記の疲労試験片とは別に、得られた突合せ溶接継手から超音波用疲労試験片を採取し、繰り返し数２×１０^６回の疲労強度Ｆ１´、および２×１０^９回までのギガサイクルでの疲労強度Ｆ２´を求めた。そしてこの２条件の結果を比較して、その間の低下比率（Ｆ２´／Ｆ１´）を求めた。
次いで、上記継手疲労試験で求めた２×１０^６回の継手疲労強度Ｆ１にこの低下比率（Ｆ２´／Ｆ１´）をかけて、ギガサイクル下での継手疲労強度（推定値）Ｆ２を評価した。
以上の結果を表５に示す。

表５において、試験番号１〜１９までは本発明例であり、本発明の要件を全て満たしており、繰り返し数２００万回（２×１０^６回）とギガサイクル（１０^９回）の継手疲労強度やシャルピー値をはじめとする全ての機械的特性は良好であった。
また、試験番号１９については、鋼材の表裏面ともに再溶融ビード（第２の溶接金属及び第３の溶接金属）を形成した本発明である。このように、鋼材の表裏面ともにおいて、第１の溶接金属を再溶融させ、第２の溶接金属及び第３の溶接金属を形成したため、繰り返し数２００万回とギガサイクルの継手疲労強度や、シャルピー値をはじめとする全ての機械的特性をより向上させることができた。

試験番号２０、２３、ならびに２５は第２の溶接金属の幅Ｗ_２が狭く、第１の溶接金属止端部の再溶融が不十分であったため、止端部の接触角（図３Ｂ参照）が大きく、ギガサイクル時の継手疲労強度Ｆ２が大きく低下した。

一方、試験番号２１、２４は第２の溶接金属の幅Ｗ_２が十分広く、第１の溶接金属止端部の溶融が十分になされたものの、第２の溶接金属による鋼板表面近傍の組織の脆化が激しかったために、シャルピー値が大きく低下した。

試験番号２２は第２の溶接金属を形成しなかった場合であるが、溶接ままでは第１の溶接金属止端部の接触角が大きく、顕著にギガサイクル時の継手疲労強度が低下した。

試験番号２６は、第２の溶接金属の深さＤ_１が浅すぎたため、第１の溶接金属の止端部の溶融が不十分であった。その結果、第１の溶接金属止端部の接触角を緩やかにすることができず、応力集中を緩和させる効果が減少してしまった。そのため、顕著にギガサイクル時の継手疲労強度が低下してしまった。
一方、試験番号２７は、第２の溶接金属の深さＤ_１が深すぎたため、第２の溶接金属で形成された余盛り高さが高く、止端部の接触角が大きかったため、顕著にギガサイクル時の継手疲労強度が低下した。さらに、第２の溶接金属による鋼板表面近傍の組織の脆化が激しかったために、シャルピー値が大きく低下した。

試験番号２８は、第１の溶接金属の幅Ｗ _３ が、鋼板板厚に対して広すぎたため、鋼板表面及び内部の組織の脆化が激しく、シャルピー値が大幅に低下してしまった。

試験番号２９は、第２の溶接金属をＴＩＧ溶接により形成した場合であるが、第２の溶接金属の幅Ｗ_２が広くなりすぎ、第１の溶接金属止端部の溶融が十分になされたものの、第２の溶接金属の深さＤ_１が浅くなったため、第１の溶接金属止端部の接触角を緩やかにすることができず、応力集中を緩和させる効果が減少してしまった。さらに、第２の溶接金属による鋼板表面近傍の組織の脆化が激しかった。これらの結果、ギガサイクル時の継手疲労強度が大幅に低下してしまった。

本発明の溶接継手は、ギガサイクル域の振動環境における耐疲労特性と十分な破壊靱性とを有するため、洋上風力発電塔の基礎部材などに適用できる。このため、産業上の利用可能性を十分に有する。

１ 鋼板
１Ａ 第１面
１Ｂ 第２面
２ 第１の溶接金属
３Ａ 第２の溶接金属
３Ｂ 第３の溶接金属
Ｄ_１ 第２の溶接金属の深さ
Ｄ_２ 第３の溶接金属の深さ
Ｗ_１ （第１面１Ａにおける）第１の溶接金属の幅
Ｗ_２ （第１面１Ａにおける）第２の溶接金属の幅
Ｗ_３ 鋼板の板厚中心における第１の溶接金属の幅
Ｗ_４ （第２面１Ｂにおける）第１の溶接金属の幅
Ｗ_５ （第２面１Ｂにおける）第３の溶接金属の幅
２１ 鋼板
２２ 溶接ビード
ρ 溶接ビード止端部曲率半径
θ 溶接ビード止端部接触角

Claims (9)

1. 一対の鋼板と；
   一対の前記鋼板の突合せ部に、一対の前記鋼板の第１面側からの第１高エネルギー密度ビームの照射により、前記第１面側から、前記第１面の反対の第２面側に渡って形成された第１の溶接金属と；
   前記第１の溶接金属の前記第１面側の端面を覆う、第２高エネルギー密度ビームの照射により形成された第２の溶接金属と；
   を備え、
   前記第１面における前記第１の溶接金属の幅Ｗ_１と、前記第１面における前記第２の溶接金属の幅Ｗ_２とが下記式（１）を満たし；
   前記第２の溶接金属の前記第１面からの深さが２．０〜１０．０ｍｍであり；
   前記鋼板の板厚の中心における前記第１の溶接金属の幅Ｗ _３ が、前記鋼板の板厚の１５％以下であり；
   前記鋼板の板厚が３０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である；
   ことを特徴とする突合せ溶接継手。
   １．２≦Ｗ_２／Ｗ_１≦３．５ ・・・（１）
2. 前記第１の溶接金属の前記第２面側の端面を覆う、第３高エネルギー密度ビームにより形成された第３の溶接金属を備え；
   前記第２面における前記第１の溶接金属の幅Ｗ_４と、前記鋼板の前記第２面における前記第３の溶接金属の幅Ｗ_５とが下記式（２）を満たし；
   前記第３の溶接金属の前記第２面からの深さが２．０〜１０．０ｍｍである；
   ことを特徴とする請求項１に記載の突合せ溶接継手。
   １．２≦Ｗ_５／Ｗ_４≦３．５ ・・・（２）
3. 前記鋼板が、降伏強さが３５５ＭＰａ以上である鋼板であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の突合せ溶接継手。
4. 風力発電塔の基礎部分を構成する構造体又は鋼管柱に使用されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の突合せ溶接継手。
5. 一対の鋼板の突合せ部に、第１高エネルギー密度ビームを照射し、前記一対の鋼板の前記第１高エネルギー密度ビームの照射側である第１面における幅がＷ_１である第１の溶接金属を形成する工程と；
   前記第１の溶接金属に、前記第１高エネルギー密度ビームのエネルギー密度よりも低いエネルギー密度である第２高エネルギー密度ビームを照射し、前記鋼板の前記第１面における幅がＷ_２である第２の溶接金属を形成する工程と；
   を有し、
   前記幅Ｗ_１と前記幅Ｗ_２が下記式（３）を満たし；
   前記第２の溶接金属の前記第１面からの深さが２．０〜１０．０ｍｍであり；
   前記鋼板の板厚の中心における前記第１の溶接金属の幅Ｗ _３ を前記鋼板の板厚の１５％以下とし；
   前記鋼板として、板厚が３０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である鋼板を用いる
   ことを特徴とする突合せ溶接継手の製造方法。
   １．２≦Ｗ_２／Ｗ_１≦３．５ ・・・（３）
6. 前記第１高エネルギー密度ビーム及び前記第２高エネルギー密度ビームがともに電子ビームであることを特徴とする請求項５に記載の突合せ溶接継手の製造方法。
7. 前記第１高エネルギー密度ビームの照射及び前記第２高エネルギー密度ビームの照射はともに、一対の前記鋼板の溶接部形成領域及びその周辺のみを真空下として行われることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の突合せ溶接継手の製造方法。
8. 前記第１面の反対の第２面における前記第１の溶接金属に、前記第１高エネルギー密度ビームのエネルギー密度よりも低いエネルギー密度である第３高エネルギー密度ビームを照射し、前記第２面における幅がＷ _５ である第３の溶接金属を形成する工程；
   を有し、
   前記第２面における前記第１の溶接金属の幅Ｗ _４ と、前記鋼板の前記第２面における前記第３の溶接金属の幅Ｗ _５ とが下記式（４）を満たし；
   前記第３の溶接金属の前記第２面からの深さが２．０〜１０．０ｍｍである；
   ことを特徴とする請求項５〜請求項７の何れか一項に記載の突合せ溶接継手の製造方法。
   １．２≦Ｗ _５ ／Ｗ _４ ≦３．５ ・・・（４）
9. 前記鋼板として、降伏強さが３５５ＭＰａ以上である鋼板を用いることを特徴とする請求項５〜８の何れか一項に記載の突合せ溶接継手の製造方法。

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