JP5170354B1 - ビーム溶接継手およびビーム溶接方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図3A
Description
Ms=371−353C−22Si−24.3Mn−7.7Cu−17.3Ni−17.7Cr−25.8Mo・・・(式1)
上記構造により、洋上発電塔のジャケット型基礎構造体が構成されている。
本発明の一実施形態に係る溶接継手で使用される鋼板や鋼管の種類は、特に限定されないが、設計や溶接施工性の観点においては、好ましくは降伏強度が355MPa以上690MPa以下である。降伏強度の上限を590MPa又は490MPaに制限してもよい。引張強度では、450MPa以上780MPa以下であることが好ましい。引張強度の上限を690MPa又は590MPaに制限してもよい。本実施形態では、降伏強度355MPa以上の鋼板または鋼管を高強度鋼板・鋼管と呼ぶ。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を用いることができる。しかし、溶接性や、強度確保を鑑みた場合、C:0.01〜0.08質量%、Si:0.05〜0.80質量%、Mn:0.8〜2.5質量%、P≦0.03質量%、S≦0.02質量%、Al≦0.008質量%、Ti:0.005〜0.030質量%を含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなり、必要に応じてCu:0.1〜1.0質量%、Ni:0.1〜6.0質量%、Cr:0.1〜1.0質量%、Mo:0.1〜0.5質量%、Nb:0.01〜0.08質量%、V:0.01〜0.10質量%、B:0.0005〜0.0050質量%の1種または2種以上を含有する鋼を用いることが好ましい。
支柱鋼管2に、支柱枝鋼管2aを介して斜枠鋼管4a、4bが連結されている。この部分が例えば、図1中央の楕円Aで囲まれた部分の格点部である。格点部における溶接継手部には、ギガサイクル域の振動に耐える耐疲労特性が要求される。
このビーム受止部5は支柱枝鋼管2aと一体の鋼材である。ビーム受止部5は、支柱枝鋼管2aの一端部である突合せ部に隣接しており、支柱枝鋼管2aの内側側面からビームの照射源と反対側(照射源から遠い側)の方向に突出している。ビーム受止部5は、ビーム照射面(つまり、支柱枝鋼管2aと斜枠鋼管4aとの突合せ面、あるいは溶接金属7のなす面)と交差して、ビーム照射面よりも斜枠鋼管4a側にまで突出している。ビーム受止部5(突出部5aを含む)の形成は、切削等、通常の機械加工によって行うことができる。この構成によって、溶接金属7の部分を貫通したビームはビーム受止部5(突出部5aを含む)の一部によって受け止められる。
図3Aは、第1の実施形態に係る溶接継手において、溶接継手の管軸方向に沿った断面を示す模式図である。図3Aにおいて図面右側が管外側、図面左側が管内側を示す。図3Aは、この実施形態の溶接継手において、図2Bの円で囲った部分Bと対応する部位を示す。
本実施形態の溶接継手は、ビーム受止部5を溶接継手の内側に備える。ビーム受止部5を溶接継手の外側に備えることも可能であり、その場合はビームを溶接継手内側から外側に向けて照射すればよい。
ここで、α、βは各面同士が接する部位での角度と定義される。例えば、ビーム受止面41が溶接金属7から離れるに従って徐々に湾曲していてもよい。
上述したように、ビームを内側から照射する場合には、ビーム受止部5は、鋼管の外側に突出するように設けてもよい。いずれの場合も、ビーム受止部5は、支柱枝鋼管2aと連続した一体の鋼材の一部である。
ビーム受止部5は、支柱枝鋼管2aの一部として形成された後、支柱枝鋼管2aの上端の溶接面の加工と同様に、切削等の通常の機械加工によって整形される。
また、例えば鋼管を外側からビームを照射して溶接する場合、鋼管の内側の直接監視は困難な場合がある。例えば図13のように、鋼管内部にCCDカメラ100を設置することで、鋼管内部の溶接部の外観を直接監視することができ、品質保証にも有効である。
一方、一般には、継手の溶接に伴って溶接金属が収縮すると、溶接金属のなす面に垂直な引張残留応力σRが発生し、この方向の振動に対する耐疲労特性が著しく低下する。しかし、溶接金属7のなす面と管の長手方向と一致する管軸方向との角γが90°でない場合、図8に示すように、引張残留応力σRは、管軸方向から逸れた方向に生じる。ここで、γは、0≦γ≦90°の範囲で定義される角度である。溶接金属7のなす面が傾く向きは、ビーム照射方向が管径方向外側から内側向きの照射である場合、溶接金属7のなす面の内側端が厚手鋼管である支柱枝鋼管2a側に近づくように傾斜させるのが好ましい。傾斜がこの方向であれば、溶接時に溶接部を貫通したビームがビーム受止部5に確実に受け止められる。
さらに、溶融・凝固部5xを形成した場合、その近傍では、溶接金属7の溶接ビードの拘束が小さいため、発生する引張残留応力σR自体も小さくなる。
薄手鋼材(斜枠鋼管4a)の内周面、つまりビームの照射源から遠い側の表面である遠位面42と、この遠位面42と対面するビーム受止部の表面であるビーム受止面41とがなす角α、すなわち、応力緩和溝43の開口角度は、20°以上80°以下とする。αが20°未満では応力集中が大きくなり応力緩和溝43の底部にかかる応力が増大し、疲労特性が低下する。また、図12に示すように、αと露出部の幅とは相関を有する。上述の通り、疲労強度向上の観点から露出部の幅を0.5〜3.0mmとすることが有効であり、そのために、αは、20°以上80°以下とする。さらに、γを80°以下の鋭角にすることで、厚手鋼材と薄手鋼材とが突合せ部での位置合わせが容易となる。より望ましくは、αが、25°以上60°以下である。α、βが上記の範囲を外れた場合、溶接ビームが不安定になり、熱影響部が広くなることで、破壊靭性が低下する虞がある。
前述したように、本実施形態に係る溶接継手においても、溶接金属7に続いて形成される溶融・凝固部5xは、溶接金属7に残留する引張応力を低減するか、又は、溶接金属7に圧縮応力を残留させる作用を持つ。
また、例えば、αが90°超の場合には、図6Cのように突出部が支柱枝鋼管2aと斜枠鋼管4aとの溶接面より図の下方、すなわち支柱枝鋼管2aから斜枠鋼管4aへ向かう方向に突出する。図6Cのような場合、貫通する溶接ビームを受け止めることはできない。
Accelerating voltage:80kV
Beam current:200mA
Welding speed:180mm/min
Work distance:521mm
Beam oscillation:Linear
Chambar pressure:0.02Pa
Preheat temperature:None
溶接部の残留応力を歪解放法により測定した結果を、表2に示す。
本実施例において使用した継手タイプは、図3A、図6A、図6B、図6C、図7A、図7Bである。図7A、図7Bはビーム受止部、突出部及びインサート材を持たない比較例である。
図3A、図6A、図6Bにおける符号5、5aの領域がビーム受止部となる部分である。
本実施例で使用したインサート材は、A:100%Ni箔、B:50%Ni−50%Cr箔の2種類である。インサート材の厚さはいずれも50μmのものを用いた。
溶接金属の変態温度は、溶融部の化学組成成分(質量%)から下記(式1)により算出される変態開始温度Ms(℃)である。
Ms=371−353C−22Si−24.3Mn−7.7Cu−17.3Ni−17.7Cr−25.8Mo・・・(式1)
溶接金属7のなす面が管軸に対して垂直である場合でも垂直でない場合でも、超音波疲労試験片9は、管軸方向に沿って採取した。
継手番号32〜継手番号34は、図7Bに示すビーム受止部を持たず、裏当金を用いた電子ビーム溶接継手である。裏当金に起因する応力集中や不安定な溶接により、破壊靭性値、ギガサイクル下での継手疲労強度が低かったと考えられる。
(1)高エネルギー密度ビームを溶接部に照射して溶接した溶接継手において、一方の継手鋼材が、溶接部を貫通した高エネルギー密度ビームを受け止めたビーム受止部を、前記一方の継手鋼材と一体に備えた耐疲労特性に優れた高エネルギー密度ビーム溶接継手。
1a 基礎スリーブ
2 支柱鋼管
2a 支柱枝鋼管
2b 支柱接続鋼管
2a´ 溶接前の支柱枝鋼管の溶接面の最外周部(突出部分)
3a 下枠鋼管
3b 上枠鋼管
4a、4b 斜枠鋼管
5 ビーム受止部
5a 突出部
5x 溶接金属先端部(溶融・凝固部)
6 インサート材
6x 低温変態部
7 溶接金属
8 裏当金
9 超音波疲労試験片
10 継手疲労試験片
10b チャック部
11 CTOD試験片
Claims (10)
- 各々の長手方向端面で互いに突合わされ、少なくともこの突合せ部での板厚が相対的に異なる薄手鋼材および厚手鋼材と、前記突合せ部の片側からビームが照射されて形成された溶接金属と、を備えるビーム溶接継手であって;
前記ビームの照射源から遠い側の前記厚手鋼材の突合せ端部に配置され、前記溶接金属のなす面より前記薄手鋼材側に突き出たビーム受止部が、前記厚手鋼材と一体の部位として形成され;
前記溶接金属の一部が、前記ビーム受止部の内部の溶接金属先端部を形成しており;
前記照射源から遠い側の前記薄手鋼材の表面である遠位面と、この遠位面と対面する前記ビーム受止部の表面であるビーム受止面とが、20°以上80°以下の角度αで開口する応力緩和溝を形成し;
前記溶接金属先端部がなす面と前記ビーム受止面とのなす角βが30°以上140°以下であり;
前記溶接金属の一部が、前記応力緩和溝の底部に露出して幅0.5〜3.0mmの露出部を形成している
ことを特徴とするビーム溶接継手。 - 前記薄手鋼材の前記長手方向に対する前記溶接金属のなす面の角度γが20°以上60°以下であることを特徴とする請求項1に記載のビーム溶接継手。
- 前記薄手鋼材の前記長手方向に対する前記溶接金属のなす面の角度γが70°以上90°以下であり;
前記突合せ部における前記溶接金属の組成から下記式1により算出される変態開始温度Msが250℃以下である;
ことを特徴とする請求項1に記載のビーム溶接継手。
Ms=371−353C−22Si−24.3Mn−7.7Cu−17.3Ni−17.7Cr−25.8Mo・・・(式1) - 前記薄手鋼材および前記厚手鋼材が、厚さ10mm以上であり、降伏強度が355MPa以上590MPa以下である、鋼板又は鋼管であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のビーム溶接継手。
- 前記薄手鋼材および前記厚手鋼材の組成が、C:0.01〜0.08質量%、Si:0.05〜0.80質量%、Mn:0.8〜2.5質量%、P≦0.03質量%、S≦0.02質量%、Al≦0.008質量%、Ti:0.005〜0.030質量%を含有し;
残部鉄および不可避的不純物である;
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のビーム溶接継手。 - 前記薄手鋼材および前記厚手鋼材の組成が、さらに、Cu:0.1〜1.0質量%、Ni:0.1〜6.0質量%、Cr:0.1〜1.0質量%、Mo:0.1〜0.5質量%、Nb:0.01〜0.08質量%、V:0.01〜0.10質量%、B:0.0005〜0.0050質量%の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項5に記載のビーム溶接継手。
- 風力発電塔の基礎部分を構成する鋼構造体又は鋼管柱に使用されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のビーム溶接継手。
- 前記厚手鋼材および前記薄手鋼材がそれぞれ鋼管であり、前記長手方向が前記鋼管の管軸方向であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のビーム溶接継手。
- 請求項1に記載のビーム溶接継手を溶接するビーム溶接方法であって、
前記薄手鋼材および前記厚手鋼材に、前記突合せ部の片側から前記ビームを照射することで、
前記溶接金属を形成し、
前記応力緩和溝の底部に幅0.5mm〜3.0mmの前記露出部を形成し、
前記ビーム受止部の内部に前記溶接金属先端部を形成する
ことを特徴とするビーム溶接方法。 - ビーム溶接中に、前記露出部を監視手段によって監視し、監視結果に基づき前記ビームの照射角度または照射位置を調整することによって、前記露出部の前記幅を制御することを特徴とする請求項9に記載のビーム溶接方法。
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