JP5407634B2 - 溶接継手 - Google Patents
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{Min(母材硬度、溶接金属硬度)}×1.5≧(HAZ硬度の最大値) ・・・(1)
上記の(1)式において、Min(母材硬度、溶接金属硬度)とは、母材の硬度および溶接金属の硬度のうちの低い方の値を意味する。また、HAZ硬度の最大値とは、溶接熱影響部における硬度の最大値を意味する。
ただし、Min(母材硬度、溶接金属硬度)とは、母材の硬度および溶接金属の硬度のうちの低い方の値を意味する。HAZ硬度の最大値とは、溶接熱影響部における硬度の最大値を意味する。
以下、本発明に係る溶接継手の母材の化学組成の作用効果を、その含有量の限定理由とともに説明する。なお、含有量に関する「%」は「質量%」を意味する。
Cは、鋼の強度を高める成分である。C含有量が0.01%未満では、母材が鋼構造物に必要な強度を確保することが困難になる。したがって、母材が鋼構造物に必要な強度レベルを確保するために、C含有量は0.01%以上とする。一方、C含有量が0.10%を超えると溶接性が低下するので、C含有量の上限は0.10%とする。望ましいC含有量は0.03〜0.06%である。
Siは、鋼の脱酸のために必要な成分である。Si含有量が0.04%未満では適切な脱酸効果を期待できない。一方、Si含有量が0.60%を超えると母材の靱性が損なわれ、構造用鋼としての適正を欠くおそれがある。したがって、Si含有量は、0.04〜0.60%とする。望ましいSi含有量は、0.20〜0.50%である。
Mnは、鋼の強度を向上させる成分である。Mn含有量が0.50%未満では鋼構造物に必要な強度を確保できなくなる。一方、Mn含有量が2.00%を超えると、溶接熱影響部(HAZ)が硬化し溶接割れが発生しやすくなる。したがって、Mn含有量は、0.50〜2.00%とする。望ましいMn含有量は、0.80〜1.60%である。
Pは、中心偏析を助長するなどして鋼の靭性を劣化させる成分である。そのため、Pの含有量は、0.025%以下とする。望ましいP含有量は、0.020%以下である。
Sは、溶接割れの原因となる成分であり、割れの起点となり得るMnS等の介在物を形成する。そのため、Sの含有量は、0.020%以下とする。溶接熱影響部の靭性を十分に確保するためには、S含有量は0.015%以下とすることが望ましい。
Alは、鋼の脱酸のために必要な成分である。Al含有量が0.003%未満では適切な脱酸効果を期待できない。一方、Al含有量が0.060%を超えると母材の清浄度および靱性が損なわれるおそれがある。したがって、母材のAl含有量は0.003〜0.060%とする。
Tiは、炭化物を生成することにより、軟質部を細粒化して強化するため、疲労き裂進展抑制特性の改善に有効な成分である。この効果を得るためには、Tiを0.001%含有させる必要があるので、Ti含有量は0.001%以上とする。一方、Ti含有量が0.100%を超えると、疲労き裂進展抑制特性の改善効果が飽和するとともに、母材の強度が上昇しすぎ、靱性が損なわれるおそれがある。したがって、母材のTi含有量は0.001〜0.100%とする。望ましいTi含有量は、0.010〜0.030%である。
Nは、TiNを生成して、溶接熱影響部の物性に影響する重要な成分である。Nの含有量は、継手疲労特性を向上させるためには、0.0020%以上必要である。一方、Nを過剰に添加するとTiNを形成しないNが母材の靱性を損なうおそれがある。したがって、N含有量は0.0020〜0.0120%とする。望ましいN含有量は、0.0050〜0.0090%である。
Crは、必要に応じて含有させることができる。含有させれば、耐食性を向上させるとともに腐食環境下での疲労き裂進展抑制特性の改善、軟質部の転位構造の制御および微視的塑性変形の抑制に効果がある。しかし、2.0%を超えて含有させても、これらの効果が飽和するとともに、母材の強度が上昇しすぎて、靱性が損なわれるおそれがある。したがって、含有させる場合のCr含有量は2.0%以下、望ましくは1.8%以下とする。なお、腐食環境下での疲労き裂進展抑制特性の改善、軟質部の転位構造の制御および微視的塑性変形の抑制の効果を確実に得るためには、0.01%以上含有させることが望ましく、0.5%以上含有させることがより望ましい。
Moは、必要に応じて含有させることができる。MoもCrと同様に、耐食性を向上させるとともに腐食環境下での疲労き裂進展抑制特性の改善、軟質部の転位構造の制御および微視的塑性変形の抑制に効果がある。しかし、1.0%を超えて含有させても、これらの効果が飽和するとともに、母材の強度が上昇しすぎて、靱性が損なわれるおそれがある。したがって、含有させる場合のMo含有量は1.0%以下、望ましくは0.8%以下とする。なお、腐食環境下での疲労き裂進展抑制特性の改善、軟質部の転位構造の制御および微視的塑性変形の抑制の効果を確実に得るためには、0.05%以上含有させることが望ましく、0.10%以上含有させることがより望ましい。
Niは、必要に応じて含有させることができる。NiもCrおよびMoと同様に、耐食性を向上させるとともに腐食環境下での疲労き裂進展抑制特性の改善、軟質部の転位構造の制御および微視的塑性変形の抑制に効果がある。しかし、1.5%を超えて含有させても、これらの効果が飽和するとともに、母材の強度が上昇しすぎて、靱性が損なわれるおそれがある。したがって、含有させる場合のNi含有量は1.5%以下、望ましくは1.0%以下とする。なお、腐食環境下での疲労き裂進展抑制特性の改善、軟質部の転位構造の制御および微視的塑性変形の抑制の効果を確実に得るためには、0.1%以上含有させることが望ましく、0.5%以上含有させることがより望ましい。
Cuは、必要に応じて含有させることができる。CuもCr、MoおよびNiと同様に、耐食性を向上させるとともに腐食環境下での疲労き裂進展抑制特性の改善、軟質部の転位構造の制御および微視的組成変形の抑制に効果がある。しかし、1.5%を超えて含有させても、これらの効果が飽和するとともに、母材の強度が上昇しすぎて、靱性が損なわれるおそれがある。したがって、含有させる場合のCu含有量は1.5%以下、望ましくは1.2%以下とする。なお、腐食環境下での疲労き裂進展抑制特性の改善、軟質部の転位構造の制御および微視的塑性変形の抑制の効果を確実に得るためには、0.1%以上含有させることが望ましく、0.3%以上含有させることがより望ましい。
Nbは、必要に応じて含有させることができる。Nbは、炭化物を生成することにより、軟質部を細粒化して強化するため、腐食環境下での疲労き裂進展抑制特性の改善に効果がある。しかし、0.1%を超えて含有させても、この効果が飽和するとともに、母材の強度が上昇しすぎて、靱性が損なわれるおそれがある。したがって、含有させる場合のNb含有量は0.1%以下、望ましくは0.05%以下とする。なお、腐食環境下での疲労き裂進展抑制特性の改善の効果を確実に得るためには、0.01%以上含有させることが望ましく、0.02%以上含有させることがより望ましい。
Vは、必要に応じて含有させることができる。VもNbと同様に、炭化物を生成することにより、軟質部を細粒化して強化するため、腐食環境下での疲労き裂進展抑制特性の改善に効果がある。しかし、0.1%を超えて含有させても、この効果が飽和するとともに、母材の強度が上昇しすぎて、靱性が損なわれるおそれがある。したがって、含有させる場合のV含有量は0.1%以下、望ましくは0.07%以下とする。なお、腐食環境下での疲労き裂進展抑制特性の改善の効果を確実に得るためには、0.005%以上含有させることが望ましく、0.01%以上含有させることがより望ましい。
Bは、必要に応じて含有させることができる。Bは、焼入性を著しく高める作用があり、強度上昇と疲労き裂進展抵抗性を向上させる効果がある。しかし、0.0030%を超えて含有させると靱性が劣化するおそれがある。したがって、含有させる場合のB含有量は0.0030%以下とする。なお、強度上昇と疲労き裂進展抵抗性向上の効果を確実に得るためには、0.0003%以上含有させることが望ましい。
本発明に係る溶接継手の母材は、硬質部の素地とこの素地中に分散した軟質部からなる複合組織を有するものである。硬質部はマルテンサイト、ベイナイト、パーライト、疑似パーライトおよび焼戻しマルテンサイトのうちの1種以上からなる組織であり、軟質部はフェライト組織である。母材を上記のように複合組織とするのは、硬質部と軟質部の2種類の組織を複合形成させて、硬質部と軟質部との界面近傍においてき裂進展の停留効果を得るためである。この効果は、硬質部と軟質部との存在比率(体積率)によっては、あまり影響を受けない。したがって、本発明に係る溶接継手の母材では、上記の存在比率は特に限定されない。
溶接継手の疲労強度を向上させるためには、疲労損傷領域の局所化をマクロ的、ミクロ的に避けて、溶接部においてき裂が発生することを防止する必要がある。
本発明の溶接継手の母材として使用する鋼板は、例えば、以下の手順により製造できる。
溶接継手の製造は、例えば、アーク溶接により行えばよい。なお、アーク溶接においては、一般に、大気ガス等のガス成分の溶接金属への溶け込みにより、溶接部の強度や靭性の低下が生じる。このため、フラックスまたはガスによるシールド効果を期待して、被覆アーク溶接(SMAW溶接; Shielded Metal Arc Welding)、マグ溶接(MAG溶接; Metal Active Gas Arc Welding)または炭酸ガスアーク溶接(CO2溶接)によって溶接を行うことが好ましい。ここで、フラックスまたはガスの量が少ないとガス成分の溶接金属への溶け込みが多くなり、HAZ硬度あるいはHAZの加工効果係数の値(n値)が大きくなる。また、溶接継手の製造工程では、一般に、溶接後、溶接継手は大気中において放冷される。このとき、HAZの熱が十分に放出されず、他の領域からHAZに熱が伝達されるなどした場合にも、HAZ硬度あるいは加工効果係数の値が大きくなる。そのため、溶接継手の製造する際には、十分なシールドを行い、HAZの熱管理を十分に行う必要がある。
σ=C×(εp)n ・・・(2)
上記式(2)において、σは真応力、εpは真塑性ひずみ、Cは材料定数を示す。
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.01〜0.10%、
Si:0.04〜0.60%、
Mn:0.50〜2.00%、
P:0.025%以下、
S:0.020%以下、
Al:0.003〜0.060%、
Ti:0.001〜0.100%、
N:0.0020〜0.0120%
を含有し、
残部はFeと不純物からなる化学組成を有し、
硬質部の素地とこの素地中に分散した軟質部からなる複合組織を有し、硬質部と軟質部の硬度差がビッカース硬度で150以上である母材を溶接してなる溶接継手であって、
溶接熱影響部の硬度が、母材、溶接金属の各々の硬度と下記の(1)式の関係を満たすと共に、溶接熱影響部の加工硬化係数の値が0.12以下であることを特徴とする溶接継手。
{Min(母材硬度、溶接金属硬度)}×1.5≧(HAZ硬度の最大値) ・・・(1)
ただし、Min(母材硬度、溶接金属硬度)とは、母材の硬度および溶接金属の硬度のうちの低い方の値を意味する。HAZ硬度の最大値とは、溶接熱影響部における硬度の最大値を意味する。 - 母材が、Feの一部に代えて、質量%で、
Cr:2.0%以下、
Mo:1.0%以下、
Ni:1.5%以下、
Cu:1.5%以下
のうちの1種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の溶接継手。 - 母材が、Feの一部に代えて、質量%で、
Nb:0.1%以下、
V:0.1%以下
のうちの1種以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の溶接継手。 - 母材が、Feの一部に代えて、質量%で、
B:0.0030%以下を含有することを特徴とする請求項1から3までのいずれかに記載の溶接継手。
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