JP5365761B2

JP5365761B2 - 溶接構造体

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Publication number: JP5365761B2
Application number: JP2013527414A
Authority: JP
Inventors: 恒久半田; 聡伊木; 茂遠藤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2032-09-13
Also published as: CN103796786B; JPWO2013038686A1; KR20140044406A; BR112014005461B1; BR112014005461A2; CN103796786A; KR101427706B1; WO2013038686A1

Description

本発明は、例えば、大型コンテナ船やバルクキャリアーなどの、厚鋼板を用いて溶接施工された溶接鋼構造物に係り、とくに厚鋼板母材あるいは溶接継手部から発生した脆性亀裂の伝播を、構造物の大規模破壊に至る前に停止させることができる、脆性亀裂伝播停止特性に優れる溶接構造体に関する。

コンテナ船やバルクキャリアーは、積載能力の向上や荷役効率の向上等のため、例えば、タンカー等とは異なり船倉内に仕切り壁が少なく、船上部の開口部を大きくとった構造を有している。そのため、コンテナ船やバルクキャリアーでは、特に船体外板を、高強度化または厚肉化する必要がある。
また、コンテナ船は、近年、大型化し、6,000〜20,000 TEUといった大型船が建造さ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。このような船の大型化に伴い、船体外板は、板厚：50mm以上で、降伏強さ：390Ｎ／mm^２級以上の厚鋼板が使用される傾向となっている。

船体外板となる鋼板は、近年、施工期間の短縮という観点から、例えばエレクトロガスアーク溶接等の大入熱溶接により突合せ溶接されることが多い。このような大入熱溶接は、溶接熱影響部での大幅な靭性低下に繋がりやすく、溶接継手部からの脆性亀裂発生の一つの原因となっていた。
船体構造においては、従来から安全性という観点から、万一、脆性破壊が発生した場合でも、脆性亀裂の伝播を大規模破壊に至る前に停止させ、船体分離を防止することが必要であると考えられている。

このような考え方を受けて、非特許文献１に、板厚50mm未満の造船用鋼板における溶接部の脆性亀裂伝播挙動についての実験的な検討結果が報告されている。
非特許文献１では、溶接部で強制的に発生させた脆性亀裂の伝播経路、伝播挙動が実験的に調査されている。ここには、溶接部の破壊靱性がある程度確保されていれば、溶接残留応力の影響により脆性亀裂は溶接部から母材側に逸れてしまうことが多いという結果が記載されているが、溶接部に沿って脆性亀裂が伝播した例も複数例確認されている。このことは、脆性破壊が溶接部に沿って直進伝播する可能性が無いとは言い切れないことを示唆していることになる。

しかしながら、非特許文献１で適用した溶接と同等の溶接を板厚50mm未満の鋼板に適用して建造された船舶が異常なく就航しているという多くの実績があることに加え、靱性が良好な鋼板母材（造船Ｅ級鋼など）は脆性亀裂を停止する能力を十分に保持しているとの認識から、造船用鋼材溶接部の脆性亀裂伝播停止特性は船級規則等においては要求されてこなかった。

しかし、近年の6,000 TEUを超える大型コンテナ船では、使用する鋼板の板厚は50mmを超え、板厚増大により破壊靱性が低下する。加えて、溶接入熱がより大きな大入熱溶接が採用され、溶接部の破壊靭性が一層低下する傾向にある。このような厚肉の大入熱溶接継手では、溶接部から発生した脆性亀裂が、母材側に逸れずに直進し、また骨材等の鋼板母材部でも停止しない可能性があることが示されている（例えば、非特許文献２）。それ故、板厚50mm以上の厚肉高強度鋼板を適用した船体構造の安全性確保が大きな問題となっている。
また、非特許文献２には、とくに発生した脆性亀裂の伝播停止のために、特別な脆性亀裂伝播停止特性を有する厚鋼板を必要とするとの指摘もある。

このような問題に対し、例えば特許文献１には、好ましくは板厚50mm以上の船殻外板である溶接構造体において、突合せ溶接部に交差するように骨材を配置し、この骨材を隅肉溶接で接合した溶接構造体が記載されている。
特許文献１に記載された技術では、この骨材に、表層部および裏層部で３mm以上の厚みにわたり0.5〜５μmの平均円相当粒径を有し、さらに板厚面に平行な面で（１００）結晶面のＸ線面強度比が1.5以上である、ミクロ組織を有する鋼板を用いるとしている。このようなミクロ組織を有する鋼板を補強材として隅肉溶接した構造とすることにより、突合せ溶接部に脆性亀裂が発生しても、補強材である骨材で脆性亀裂の伝播を停止でき、溶接構造体が破壊するような致命的な損傷を防止できるとしている。

また、特許文献２には、接合部材（以下、ウェブともいう）を被接合部材（以下、フランジともいう）に隅肉溶接してなる隅肉溶接継手を備える、脆性亀裂伝播停止特性に優れた溶接構造体が記載されている。
特許文献２に記載された溶接構造体では、隅肉溶接継手断面におけるウェブの、フランジとの突合せ面に未溶着部を残存させる。そして、その未溶着部の幅と、隅肉溶接部の左右の脚長とウェブ板厚との和との比、Ｘが、被接合部材（フランジ）の脆性亀裂伝播停止靭性Ｋcaと特別な関係式を満足するように、未溶着部の幅を調整する。これにより、被接合部材（フランジ）を板厚：50mm以上の厚物材としても、接合部材（ウェブ）で発生した脆性亀裂の伝播を、隅肉溶接部のウェブとフランジの突合せ面で停止させ、被接合部材（フランジ）への脆性亀裂の伝播を阻止することができるとしている。

特開2004−232052号公報特開2007−326147号公報

日本造船研究協会第１４７研究部会：「船体用高張力鋼板大入熱継手の脆性破壊強度評価に関する研究」、第８７号（1978年２月），p.35〜53、日本造船研究協会。山口欣弥ら：「超大型コンテナ船の開発―新しい高強度極厚鋼板の実用―」、日本船舶海洋工学会誌、第３号（2005）、p.70〜76、平成17年11月。

しかしながら、特許文献１に記載された技術で使用する、補強材である骨材は、所望の組織を有する鋼板とするために、複雑な工程を必要とする。このため、生産性が低下し、安定して所望の組織を有する鋼板を確保することが難しいという問題があった。
また、特許文献２に記載された技術は、接合部材（ウェブ）で発生した脆性亀裂の伝播を、構造の不連続性と、被接合部材（フランジ）の脆性亀裂伝播停止特性との組合せで、阻止しようとする技術である。
しかし、日本造船研究協会第１６９委員会報告（「船体構造の破壊管理制御設計に関する研究―報告書―」、（1979）、p.118〜136、日本造船研究協会第１６９委員会）に示されるように、一般に、隅肉溶接継手の被接合部材（フランジ）で発生した脆性亀裂を接合部材（ウェブ）で伝播停止させることは、接合部材（ウェブ）で発生した脆性亀裂を被接合部材（フランジ）で伝播停止させることに比べて、難しいことが実験的に確認されている。
この理由は明確には記載されていないが、一因として、Ｔ継手部に亀裂が突入するときの破壊駆動力（応力拡大係数）が、被接合部材（フランジ）に突入する場合よりも接合部材（ウェブ）に突入する場合のほうが大きくなることが考えられる。

このようなことから、被接合部材（フランジ）で発生した脆性亀裂を接合部材（ウェブ）で伝播停止させるには、特許文献２に記載された技術は、接合部材（ウェブ）の脆性亀裂伝播停止特性等が不十分であるため、十分な技術であるとは言えない。
なお、特許文献２には、接合部材（ウェブ）の脆性亀裂伝播停止特性については何の配慮もなされていない。
すなわち、特許文献２に記載された技術は、例えば、ＮＫ船級の「脆性亀裂アレスト設計指針」（２００９年９月制定）で想定されている、大型コンテナ船の強力甲板（フランジに相当）で発生した脆性亀裂がハッチサイドコーミング（ウェブに相当）に伝播するようなケースに対して、十分な亀裂伝播停止特性を有しているとはいえない。

本発明は、かかる従来技術の問題を解決し、被接合部材（フランジ）に発生した脆性亀裂の接合部材（ウェブ）への伝播を、大規模破壊に至る前に、停止（阻止）できる、脆性亀裂伝播停止特性に優れた溶接構造体を提供することを目的とする。
なお、本発明が対象とする溶接構造体は、被接合材（フランジ）の表面に接合部材（ウェブ）の端面を突合せて、隅肉溶接により接合してなる隅肉溶接継手を備える溶接構造体である。

本発明者らは、上記した目的を達成するために、隅肉溶接継手における脆性亀裂伝播停止特性に及ぼす各種要因について鋭意研究した。
その結果、被接合部材（フランジ）から発生した脆性亀裂の伝播を阻止（停止）するには、被接合部材（フランジ）と接合部材（ウェブ）との突合せ面に不連続部を確保し、脆性亀裂の伝播部を所定値以上の脆性亀裂伝播停止靭性Ｋcaを有する脆性亀裂伝播停止特性に優れた部材で構成しただけでは十分でないことに思い至った。
とくに、被接合部材（フランジ）の板厚ｔ_f（mm）が大きくなると脆性亀裂先端のエネルギー解放率（亀裂進展駆動力）が増加し、脆性亀裂が停止しにくくなることに鑑みて、被接合部材（フランジ）の板厚ｔ_f（mm）に関連した、隅肉溶接部の靭性向上が必須となることに想到した。
また、隅肉溶接部の脚長や溶着幅が長くなると、脆性亀裂の伝播が容易となるため、隅肉溶接部の脚長もしくは溶着幅の少なくとも一方を16mm以下にする必要があることも知見した。

そして、隅肉溶接継手において、被接合部材の表面と接合部材と端面とを突合せる面に未溶着部、すなわち不連続部を確保し、接合部材を2500Ｎ／mm^３／２以上の脆性亀裂伝播停止靭性Ｋcaを有する接合部材とするとともに、隅肉溶接部の脚長もしくは溶着幅を16mm以下とし、さらに、隅肉溶接部靭性を被接合部材の板厚との関係で所定の関係を満足する高靭性溶接部とすることによりはじめて、従来の技術では困難であった、板厚50mm以上の厚肉被接合部材で発生した脆性亀裂の接合部材への伝播を阻止（停止）できることを見出した。これは、さらに、被接合部材が突合せ溶接継手部を有する厚鋼板である場合においても、同様であることを見出した。

まず、本発明の基礎となった実験結果について説明する。
種々の板厚および−10℃における脆性亀裂伝播停止靱性Ｋcaが6000N/mm^3/2程度（5500〜6700N/mm^3/2）である鋼板を接合部材（ウェブ）として用いて、種々の未溶着部比率Ｙ（％）（＝（隅肉溶接継手断面における未溶着部の幅Ｂ）／（接合部材の板厚ｔw）×100）の未溶着部と、種々の低温靭性、脚長を有する隅肉溶接部からなる、大型隅肉溶接継手を作製した。
なお、被接合部材（フランジ）には突合せ溶接継手部を有する板厚：50mm以上の鋼板を用いた。また、突合せ溶接継手は、１パスの大入熱エレクトロガスアーク溶接若しくは炭酸ガス溶接（多層盛）で作製した。

得られた大型隅肉溶接継手を用いて、図３（ｂ）に示す超大型構造モデル試験体を作製し、脆性亀裂伝播停止試験を実施した。なお、超大型構造モデル試験体は、大型隅肉溶接継手９の被接合部材（フランジ）２の下方に仮付け溶接８で、被接合部材（フランジ）２と同じ板厚の鋼板を溶接した。
なお、図３（ｂ）に示す超大型構造モデル試験体は、被接合部材（フランジ）の突合せ溶接継手部１１が接合部材（ウェブ）と直交するように作製し、また機械ノッチ７の先端が突合せ溶接継手部１１のＢＯＮＤ部となるように加工した。

また、脆性亀裂伝播停止試験は、機械ノッチ７に打撃を与えて脆性亀裂を発生させ、その脆性亀裂の伝播が、隅肉溶接部で停止するか否かを調査した。いずれの試験も、応力257Ｎ/mm^２、温度：−10℃の条件で実施した。
応力257Ｎ/mm^２は、船体に適用されている降伏強度390Ｎ/mm^２級鋼板の最大許容応力相当の値である。温度−10℃は船舶の設計温度である。

得られた結果を、図４（ａ），（ｂ）に示す。
図４（ａ），（ｂ）から、未溶着部比率Ｙが95％以上で、接合部材（ウェブ）の脆性亀裂伝播停止靭性Ｋcaが6000Ｎ／mm^3/2程度以上（5500〜6700Ｎ／mm^3/2）、かつ隅肉溶接部の靭性と被接合部材（フランジ）の板厚ｔ_fとの関係が、特定の関係を満足する場合には、供用応力が257Ｎ/mm^２以上の場合でも、被接合部材（フランジ）で発生した脆性亀裂の接合部材（ウェブ）への伝播を阻止（停止）できることがわかる。
なお、未溶着部比率Ｙは、隅肉溶接継手断面における未溶着部の幅Ｂと接合部材（ウェブ）板厚ｔ_wの比、（Ｂ／ｔ_w）×100（％）で定義される値である。
図４（ａ），（ｂ）は、供用応力が257Ｎ/mm²の場合であるが、船体に定常的に作用する応力の平均的な値は100Ｎ/mm²程度である。この場合、被接合部材（フランジ）で発生した脆性亀裂の接合部材（ウェブ）への伝播を阻止（停止）するのに必要なＫcaは、6000Ｎ／mm^3/2×100/257（≒2334Ｎ／mm^3/2）で計算されるので、Ｋcaが2500Ｎ／mm^3/2以上であれば、船体に定常的に作用する応力（100Ｎ/mm²程度）に対しては亀裂伝播を確実に阻止（停止）できる。

これらの結果から、隅肉溶接部の靭性と、被接合部材（フランジ）の板厚ｔ_fとの特定な関係としては、図４（ａ）から、
vＴｒｓ（℃） ≦ −1.5ｔ_f（mm）＋90 ‥‥（１）
が、図４（ｂ）から、
vＥ_−２０（Ｊ） ≧ 2.75ｔ_f（mm）−140 ‥‥（２）
が得られる。
ただし、被接合部材（フランジ）の板厚ｔ_fが50≦ｔ_f（mm）≦53の範囲にある場合、（２）式はvＥ_−２０（Ｊ）≧ 5.75とする。

また、被接合部材（フランジ）の板厚ｔ_f（mm）が大きくなると脆性亀裂先端のエネルギー解放率（亀裂進展駆動力）が増加し、脆性亀裂が停止しにくくなる。しかしながら、この点については、未溶着部比率Ｙが95％以上の構造不連続部を有する溶接構造体（隅肉溶接継手）とすると、伝播してきた脆性亀裂先端のエネルギー解放率が低下し、脆性亀裂の伝播が停止しやすくなることが判った。
そして、さらに上記（１）、（２）式を満足するまでに、隅肉溶接部の低温靭性を高めれば、板厚50mm以上の厚肉の被接合部材（フランジ）で発生した脆性亀裂を隅肉溶接部内で停止させやすくなることを見出した。
さらに、上記（１）、（２）式を満足する低温靭性に優れた隅肉溶接部で脆性亀裂の伝播を阻止できなくても、接合部材（ウェブ）を所定以上の脆性亀裂伝播停止特性を有する鋼板で構成すれば、接合部材（ウェブ）内で阻止できることを知見した。
その一方で、未溶着部の設定や、隅肉溶接部の低温靭性向上という対策を施さない場合には、接合部材（ウェブ）に、いくら優れた（Kcaが6000N/mm^3/2を超えるような）脆性亀裂伝播停止特性を有する厚鋼板を適用しても、最大許容応力条件下では、脆性亀裂の伝播を阻止することは困難であることも知見した。

本発明は、かかる知見に基づいて、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。
１．接合部材の端面を板厚50mm以上の被接合部材の表面に突合わせ、前記接合部材と前記被接合部材とを隅肉溶接により接合してなる溶接脚長もしくは溶着幅の少なくとも一方が16mm以下の隅肉溶接継手を備えた溶接構造体であって、
前記隅肉溶接継手における前記接合部材の端面と前記被接合部材の表面とを突合わせた面に、前記隅肉溶接継手の断面で該接合部材の板厚ｔ_wの95％以上の未溶着部を有し、
さらに、前記隅肉溶接継手の隅肉溶接金属について、
該隅肉溶接金属のシャルピー衝撃試験破面遷移温度vＴrs（℃）と前記被接合部材（フランジ）の板厚ｔ_fとが下記（１）式の関係、および／または、
該隅肉溶接金属のシャルピー衝撃試験の試験温度：−20℃におけるシャルピー衝撃試験吸収エネルギーvＥ₋₂₀（Ｊ）と前記被接合部材の板厚ｔ_fとが下記（２）式の関係を満足させ、
加えて、前記接合部材を、脆性亀裂伝播停止靭性Ｋcaが前記溶接構造体の供用温度で2500Ｎ／mm^3/2以上である鋼板で構成する、
ことを特徴とする溶接構造体。
記
vＴrs ≦ −1.5ｔ_f＋90 ‥‥（１）
vＥ₋₂₀（Ｊ）≧ 5.75 （但し、50≦ｔ_f（mm）≦53）、
vＥ₋₂₀（Ｊ）≧ 2.75ｔ_f（mm）−140 （但し、ｔ_f（mm）＞53）‥（２）
ここで、vＴrs：隅肉溶接金属のシャルピー衝撃試験破面遷移温度（℃）、
vＥ₋₂₀：試験温度：−20℃でのシャルピー衝撃試験吸収エネルギー（Ｊ）、
ｔ_f：被接合部材の板厚（mm）
２．前記板厚50mm以上の被接合部材が、前記接合部材に交差するように、突合せ溶接継手部を有してなることを特徴とする前記１に記載の溶接構造体。
３．前記接合部材を、脆性亀裂伝播停止靭性Ｋcaが前記溶接構造体の供用温度で6000Ｎ／mm^3/2以上である鋼板で構成することを特徴とする前記１または２に記載の溶接構造体。

本発明によれば、従来困難であった板厚50mm以上の厚鋼板からなる被接合部材（フランジ）に発生した脆性亀裂の接合部材（ウェブ）への伝播を、大規模破壊に至る前に、停止（阻止）できる。これにより、鋼構造物、とくに、大型コンテナ船やバルクキャリアーなどの船体分離といった大規模な脆性破壊の危険性を回避でき、船体構造の安全性を確保するうえで大きな効果をもたらし、産業上格段の効果を奏する。

また、施工時に、未溶着部の寸法および隅肉溶接金属の靭性を調整し、さらに適正な脆性亀裂伝播停止性能を有する鋼板を接合部材に適用することにより、特殊な鋼板を使用することなく、また安全性を損ねることなしに、容易に、脆性亀裂伝播停止特性に優れた溶接構造体を製造できるという効果もある。

隅肉溶接継手の断面構成を模式的に説明する説明図である。（ａ）は接合部材（ウェブ）１と被接合部材（フランジ）２が直交している場合、（ｂ）は接合部材（ウェブ）１と被接合部材（フランジ）２が斜めに交差している場合を示す。隅肉溶接継手の構成の他の一例を模式的に示す説明図である。（ａ）は外観図、（ｂ）は断面図である。実施例で使用した、超大型構造モデル試験体の形状を模式的に示す説明図である。（ａ）は被接合部材（フランジ）２が鋼板母材のみからなる場合、（ｂ）は被接合部材（フランジ）２が突合せ溶接継手部を有する場合である。脆性亀裂の伝播停止に及ぼす隅肉溶接金属の靭性とフランジ板厚との関係の影響を示すグラフである。

本発明になる溶接構造体は、接合部材（ウェブ）１の端面を板厚50mm以上の被接合部材（フランジ）２の表面に突合わせ、接合部材（ウェブ）１と被接合部材（フランジ）２とを隅肉溶接により接合してなる溶接構造体である。この溶接構造体は、溶接脚長３もしくは溶着幅１２が16mm以下の隅肉溶接金属５を有する隅肉溶接継手を備える。また、該隅肉溶接継手の接合部材（ウェブ）１と被接合部材（フランジ）２との突合わせ面には、構造不連続部となる、未溶着部４を存在させる。

この状態を継手断面で図１に示す。なお、図１（ａ）は、接合部材（ウェブ）１を被接合部材（フランジ）２に対して直立して取り付けた場合を示すが、本発明ではこれに限定されることはない。例えば、図１（ｂ）に示すように、接合部材（ウェブ）１を被接合部材（フランジ）２に対して角度θだけ傾けて取り付けてもよい。この場合、未溶着部の比率Ｙ（％）を求める際に使用する接合部材（ウェブ）板厚ｔwは、接合部材（ウェブ）と被接合部材（フランジ）との交差部の長さ、（ｔw）／cos（90°−θ）、を使用するものとする。なお、図中３は溶接脚長、４は未溶着部、５は隅肉溶接金属であり、１２が溶着幅である。

本発明になる溶接構造体は、上記したように、隅肉溶接継手における接合部材（ウェブ）１と被接合部材（フランジ）２との突合わせ面で、構造が不連続となる、未溶着部４を有する。隅肉溶接継手において、接合部材（ウェブ）１と被接合部材（フランジ）２との突合わせ面は、脆性亀裂の伝播面となるので、本発明では、突合せ面に未溶着部４を存在させる。未溶着部４が存在することにより、被接合部材（フランジ）２を伝播してきた脆性亀裂先端のエネルギー解放率（亀裂進展駆動力）が低下し、突合せ面において、脆性亀裂は停止しやすくなる。
なお、たとえ、接合部材（ウェブ）１側に脆性亀裂が伝播したとしても、本発明では、所定以上の靭性を保持する隅肉溶接部（隅肉溶接金属５、熱影響部（図１では省略））を形成し、さらに接合部材を所定以上の脆性亀裂伝播停止性能を有する鋼板製とするため、脆性亀裂は、隅肉溶接部（隅肉溶接金属５、熱影響部（図１では省略））または接合部材（ウェブ）１の母材で停止することになる。

なお、脆性亀裂は、欠陥の少ない鋼板母材部で発生することは極めて稀である。過去の脆性破壊事故の多くは、溶接部で発生している。そのため、例えば、図２に、被接合部材（フランジ）２を突合せ溶接継手１１で接合された鋼板とし、接合部材（ウェブ）をその突合せ溶接継手の溶接部（突合せ溶接継手部）１１と交差するように隅肉溶接した隅肉溶接継手を示す。このような隅肉溶接継手でも、突合せ溶接継手部１１から発生する脆性亀裂の接合部材（ウェブ）１への伝播を阻止するためには、構造の不連続を存在させることが重要となる。そのため、この場合でも隅肉溶接部における被接合部材と接合部材との突合せ面に未溶着部４を存在させる。
なお、図２（ａ）は、隅肉溶接継手の外観を示し、図２（ｂ）は突合せ溶接継手部１１における断面形状を示す。

本発明では、隅肉溶接継手断面における未溶着部４の寸法は、脆性亀裂の伝播抑制のため、ウェブ板厚ｔ_wの95％以上とする。これにより、隅肉溶接金属は塑性変形しやすくなるので、隅肉溶接金属に突入した脆性亀裂の亀裂先端近傍の応力は緩和され、接合部材（ウェブ）１側への脆性亀裂の伝播が抑制できる。このため、未溶着部４の寸法（幅Ｂ）は、脆性亀裂の伝播を抑制できる、接合部材（ウェブ）板厚ｔ_wの95％以上に限定した。なお、好ましくは96％以上100％以下である。

また、隅肉溶接継手の溶接脚長もしくは溶着幅は16mm以下とする。これにより、隅肉溶接金属は塑性変形しやすくなるので、隅肉溶接金属に伝播した脆性亀裂の亀裂先端近傍の応力が緩和され、脆性亀裂の伝播が停止される。このため、隅肉溶接継手の溶接脚長もしくは溶着幅は、高靭性の隅肉溶接金属が変形しやすい、16mm以下に限定した。好ましくは15mm以下である。

そして、本発明では、隅肉溶接継手における隅肉溶接金属は、被接合部材（フランジ）の板厚ｔ_fと関連して、次（１）式および／または次（２）式を満足する靭性を確保できるように調整する。
vＴrs ≦ −1.5ｔ_f＋90 ‥‥（１）
vＥ₋₂₀≧ 5.75 （但し、50≦ｔ_f（mm）≦53）、
vＥ₋₂₀≧ 2.75ｔ_f（mm）−140 （但し、ｔ_f（mm）＞53）‥（２）
（ここで、vＴrs：隅肉溶接金属のシャルピー衝撃試験破面遷移温度（℃）、vＥ₋₂₀：試験温度：−20℃でのシャルピー衝撃試験吸収エネルギー（Ｊ）、ｔ_f：被接合部材（フランジ）の板厚（mm））
隅肉溶接金属の靭性が、被接合部材（フランジ）の板厚ｔ_fと関連して、上記した（１）式および／または（２）式を満足することにより、図４に示すように、被接合部材（フランジ）の板厚が50mm以上である溶接構造体を、ある程度の脆性亀裂伝播阻止特性を確保した溶接構造体とすることができる。隅肉溶接金属の靭性が、上記した（１）式および（２）式のいずれも満足しない場合には、隅肉溶接金属の靭性が不足して、被接合部材（フランジ）で発生伝播してきた脆性亀裂を、隅肉溶接部で伝播阻止させることができない。

なお、上記した条件を満足する溶接構造体であっても、接合部材（ウェブ）を構成する鋼板の脆性亀裂伝播停止特性によっては、作用する応力条件により、被接合部材（フランジ）で発生した長大脆性亀裂の伝播を接合部材（ウェブ）で阻止することができない場合が生じる。そこで、本発明では、構造物に作用する応力に応じて、接合部材（ウェブ）に適用する鋼板が具備すべき脆性亀裂伝播停止靭性を選択することが好ましい。

本発明者の検討によれば、上記した条件を満足する溶接構造体の接合部材（ウェブ）に、例えば、通常の造船Ｅ級鋼相当のアレスト性能（Ｋca≒2500Ｎ/mm^３／２）を有する鋼板を適用した場合には、船舶等の通常運航時に発生する供用応力条件下（100Ｎ/mm^２程度の応力条件下）における長大脆性亀裂の伝播を阻止することができる。
しかし、このような接合部材（ウェブ）では、嵐等により、稀に発生する最大許容応力相当の応力条件下（257〜283Ｎ/mm^２程度の応力条件下）における長大脆性亀裂の伝播を阻止することが困難となる。最大許容応力相当の応力条件下（257〜283Ｎ/mm^２程度の応力条件下）においても、長大脆性亀裂の伝播を阻止することを可能とするためには、接合部材（ウェブ）に、供用温度における脆性亀裂伝播停止靭性Ｋcaが6000Ｎ/mm^３／２以上である鋼板を適用する必要があることを、本発明者らは確認している。そうすれば、最大許容応力相当の応力条件下（257〜283Ｎ/mm^２程度の応力条件下）においても、長大脆性亀裂の伝播を阻止することが可能となる。

供用温度、例えば、船体の設計温度である−10℃における脆性亀裂伝播停止靭性Ｋcaが6000Ｎ/mm^３／２以上である鋼板としては、その組成、製造方法はとくに限定されない。
例えば、特許第4449388号公報、特開2010−202931号公報、特開2009−132995号公報、特開2008−214654号公報、特開2005−97694号公報等に記載された、脆性亀裂伝播停止特性に優れた厚鋼板がいずれも適用できる。

なお、本発明溶接構造体は、上記した隅肉溶接継手を備えるものであり、例えば、船舶の船体外板をフランジとし、隔壁をウェブとする船体構造、あるいはデッキをフランジとし、ハッチをウェブとする船体構造などに適用可能である。

以下、実施例に基づき、本発明を詳細に説明する。

表１に示す板厚、脆性亀裂伝播停止特性（−10℃におけるＫca）を有する厚鋼板を接合部材（ウェブ）として用い、表１に示す板厚の厚鋼板を被接合部材（フランジ）として用いて、隅肉溶接して、図３（ａ），（ｂ）に示す形状の実構造サイズの大型隅肉溶接継手を作製した。
なお、作製した隅肉溶接継手では、接合部材１と被接合部材２との突合せ面に、図１（ａ）に示すような未溶着部４を、未溶着部の比率Ｙ（＝（未溶着部の幅Ｂ／接合部材（ウェブ）板厚tw）を種々変化させた。
なお、被接合部材（フランジ）は、厚鋼板（母材のみ）（図３（ａ））、および突合せ溶接継手を有する厚鋼板（図３（ｂ））とした。突合せ溶接継手は１パス大入熱エレクトロガスアーク溶接（SEGARCおよび２電極SEGARC）または多層ＣＯ_２溶接により作製した。

また、隅肉溶接継手は、溶接材料および溶接入熱、シールドガス等の溶接条件を変化させて、種々の靭性、種々の溶接脚長および溶着幅の隅肉溶接金属を有する隅肉溶接継手とした。なお、隅肉溶接金属の靭性は、隅肉溶接金属からシャルピー衝撃試験片（10mm厚）を採取し、JIS Z 2242の規定に準拠して試験温度：−20℃での吸収エネルギーvＥ₋₂₀（Ｊ）、破面遷移温度vＴrs（℃）を求めた。

また、得られた大型隅肉溶接継手を用いて、図３に示す超大型構造モデル試験体を作製し、脆性亀裂伝播停止試験を実施した。なお、超大型構造モデル試験体は、大型隅肉溶接継手９の被接合部材（フランジ）２の下方に仮付け溶接８で、被接合部材（フランジ）２と同じ板厚の鋼板を溶接した。
なお、図３（ｂ）に示す超大型構造モデル試験体では、被接合部材（フランジ）の突合せ溶接継手部１１を接合部材（ウェブ）と直交するように作製し、機械ノッチ７の先端を突合せ溶接継手部１１のＢＯＮＤ部、または溶接金属ＷＭとなるように加工した。

また、脆性亀裂伝播停止試験は、機械ノッチに打撃を与え脆性亀裂を発生させ、以下の試験条件で伝播した脆性亀裂が、隅肉溶接部で停止するか否かを調査した。いずれの試験も、応力100〜283Ｎ/mm^２、温度：−10℃の条件で実施した。応力100Ｎ/mm^２は、船体に定常的に作用する応力の平均的な値である。また、応力257Ｎ/mm^２は、船体に適用されている降伏強度390Ｎ/mm^２級鋼板の最大許容応力相当の値である。さらに、応力283Ｎ/mm^２は、船体に適用されている降伏強度460Ｎ/mm^２級鋼板の最大許容応力相当の値である。温度−10℃は船舶の設計温度である。

得られた結果を表２に示す。

本発明例はいずれも、脆性亀裂が隅肉溶接部の被接合部材（フランジ）から隅肉溶接金属を伝播し、接合部材（ウェブ）に突入して停止した。一方、本発明の範囲を外れる比較例は、脆性亀裂は隅肉溶接部および接合部材（ウェブ）で停止することなく伝播し、脆性亀裂の伝播を阻止することができなかった。

１ウェブ
２フランジ
３脚長
４未溶着部
５隅肉溶接金属
７機械ノッチ
８仮付け溶接
９大型隅肉溶接継手
１１フランジの突合せ溶接継手部
１２溶着幅
θ 交差角

Claims

接合部材の端面を板厚50mm以上の被接合部材の表面に突合わせ、前記接合部材と前記被接合部材とを隅肉溶接により接合してなる溶接脚長もしくは溶着幅の少なくとも一方が16mm以下の隅肉溶接継手を備えた溶接構造体であって、
前記隅肉溶接継手における前記接合部材の端面と前記被接合部材の表面とを突合わせた面に、前記隅肉溶接継手の断面で該接合部材の板厚ｔ_wの95％以上の未溶着部を有し、
さらに、前記隅肉溶接継手の隅肉溶接金属について、
該隅肉溶接金属のシャルピー衝撃試験破面遷移温度vＴrs（℃）と前記被接合部材（フランジ）の板厚ｔ_fとが下記（１）式の関係、および／または、
該隅肉溶接金属のシャルピー衝撃試験の試験温度：−20℃におけるシャルピー衝撃試験吸収エネルギーvＥ₋₂₀（Ｊ）と前記被接合部材の板厚ｔ_fとが下記（２）式の関係を満足させ、
加えて、前記接合部材を、脆性亀裂伝播停止靭性Ｋcaが前記溶接構造体の供用温度で2500Ｎ／mm^3/2以上である鋼板で構成する、
ことを特徴とする溶接構造体。
記
vＴrs ≦ −1.5ｔ_f＋90 ‥‥（１）
vＥ₋₂₀（Ｊ）≧ 5.75 （但し、50≦ｔ_f（mm）≦53）、
vＥ₋₂₀（Ｊ）≧ 2.75ｔ_f（mm）−140 （但し、ｔ_f（mm）＞53）‥‥（２）
ここで、vＴrs：隅肉溶接金属のシャルピー衝撃試験破面遷移温度（℃）、
vＥ₋₂₀：試験温度：−20℃でのシャルピー衝撃試験吸収エネルギー（Ｊ）、
ｔ_f：被接合部材の板厚（mm）
前記板厚50mm以上の被接合部材が、前記接合部材に交差するように、突合せ溶接継手部を有してなることを特徴とする請求項１に記載の溶接構造体。
前記接合部材を、脆性亀裂伝播停止靭性Ｋcaが前記溶接構造体の供用温度で6000Ｎ／mm^3/2以上である鋼板で構成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。