JP5630373B2 - 耐遅れ破壊特性に優れた鋼板溶接部の製造方法およびその溶接部を有する鋼構造物 - Google Patents
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前記溶接金属を形成してから10分以内に、絶対湿度が2g/m3以下のシールドガスを前記鋼板の表面側から前記溶接金属に供給しつつ、大気に接している鋼板の裏面までレーザーが貫通しないように溶接金属にレーザを1回または2回再照射し、溶接金属を照射回数分だけ再溶融することを特徴とする、耐遅れ破壊特性に優れた鋼板溶接部の製造方法。
(2) 前記レーザを再照射する際、板厚t1、t2、…tnの鋼板を板厚方向にn枚重ね合わせ、鋼板間の隙間をそれぞれd12、d23、…d(n-1)nとした場合には、溶込み深さhが0.5≦h/(t1 + t2、…+tn + d12 + d23、…+ d(n-1)n)≦0.9を満たすように、溶接金属を再溶融させることを特徴とする、(1)に記載の耐遅れ破壊特性に優れた鋼板溶接部の製造方法。
(3) 前記レーザを再照射する際、板厚tの一対の鋼板を突き合わせた場合には、溶込み深さhが0.5≦h/t≦0.9を満たすように、溶接金属を再溶融させることを特徴とする、(1)に記載の耐遅れ破壊特性に優れた鋼板溶接部の製造方法。
(4) 前記レーザの再照射および前記溶接金属の再溶融を、溶接ビードの始端部および終端部にのみ行うことを特徴とする、(1)乃至(3)の何れか一項に記載の耐遅れ破壊特性に優れた鋼板溶接部の製造方法。
(5) 前記鋼板が、引張強さ440MPa級以上の鋼板であることを特徴とする、(1)ないし(4)のいずれか1項に記載の耐遅れ破壊特性に優れた鋼板溶接部の製造方法。
(6) 前記鋼板が、マルテンサイト系ステンレス鋼板、フェライト系ステンレス鋼板、2相ステンレス鋼板のいずれか1種または2種以上であることを特徴とする、(1)ないし(4)のいずれか1項に記載の耐遅れ破壊特性に優れた鋼板溶接部の製造方法。
(7) 前記レーザによって溶接金属を再溶融させる際に、溶融金属を撹拌させることを特徴とする、(1)ないし(6)のいずれか1項に記載の耐遅れ破壊特性に優れた鋼板溶接部の製造方法。
(8) (1)ないし(7)のいずれか1項に記載の耐遅れ破壊特性に優れた鋼板溶接部の製造方法により製造された鋼板溶接部を有することを特徴とする、耐遅れ破壊特性に優れた鋼構造物。
Tピール強度試験は、図1に示すように、L字状に曲げた2つの試験片11のそれぞれの短辺の一端を対向させて重ね合わせ、その重ね部をレーザ溶接して試験体12(Tピール試験体)とした後、この試験体12の2つの試験片11の短辺の他端側(非溶接端側)を互いに逆方向に引張り、溶接部が破断する際の最大引張荷重をTピール強度として評価するものである。試験片11は幅40mm、厚さ1.2mmの鋼板であり、曲率半径R5.0でL字状に折り曲げられている。溶接部は、短辺の一端から10mm離れた位置に形成しており、溶接ビード13の長さは30mmである。
また、レーザ溶接に先立ち、試験体12の溶接部となる各フランジの両表面はアセトンで脱脂し、清浄なものとした。
溶接終了直後の破断位置は溶接金属であり、その破面形態は擬へき開破面が主であり、一部に粒界破面が認められ、溶接金属の脆化であることが確認された。
また、同軸ノズル1は、レーザ2を鋼板に照射するとともに、シールドガスを鋼板表面に供給するためのものである。レーザ溶接の際には、レーザ2の照射方向の延長線上にチャンバ本体の開口部121bが位置するようにレーザの照射位置を調整する。
このようにして、引張強さが980MPa級で20×40×1.2mmの鋼板を使用し、鋼板の重ね部の最上段表面にレーザを照射し、下段の鋼板7の裏面まで溶融させて溶接を行い、試験片を作成した。
なお、溶接部の拡散性水素量を測定したところ、その量は時間経過とともに低下したが、溶接後10秒後から1時間後の測定結果を比較したところ、溶接後10分後までは、測定される拡散性水素量の値がほとんど変わらず、したがって、侵入した水素のほとんどが、10分間は溶接部に残っていることが判明した。
なお、レーザ再照射の際、鋼板6の表面6aの溶接部に供給するシールドガスの絶対湿度が低いほど、溶接部から検出される拡散性水素量も少なくなることが実験により明らかとなった。そこで、発明者らは、シールドガスにより形成される再溶融部近傍の雰囲気を絶対湿度の観点からさらに詳しく検討した。その結果、シールドガスの絶対湿度が低いほどTピール強度が向上し、かつ破断部位が溶接金属8にある形態から、ボンド部またはHAZ部で破断する形態へと変化することがわかった。このような結果を踏まえ、重ね部あるいは突合せ部最上段の鋼板表面へ供給するシールドガスの絶対湿度は2g/m3以下にすることが望ましい。
また、必ずしも再溶融させる箇所は溶接ビード全長ではなく、溶接金属に侵入した水素量が少ない場合や、応力が小さい場合には、図8に示すように最も応力が集中する溶接ビード43の始端部43aおよび終端部43bのみにレーザLを再照射しても十分である。なお、図8は、レーザスティッチ溶接により形成された複数の溶接ビード43を示す拡大平面模式図である。
具体的には、レーザ出力を上げると共に、熱源であるレーザの移動速度を上げて照射すれば、短時間に水素放出を行うことが可能となる。
また、溶接ビードが太い場合でも、スキャナレーザでは、ウィービングにより溶接部を幅方向にも高速かつ広範囲に走査することができるため、効率的に水素を放出させる手段として好適である。
用いた鋼板は、引張強さが440MPa級(組成は、質量%で、C:0.1%、Si:0.11%、Mn:0.95%)、590MPa級(組成は、質量%で、C:0.08%、Si:0.3%、Mn:1.3%、)、980MPa級(組成は、質量%で、C:0.13%、Si:1.00%、Mn:2.20%)、および、マルテンサイト系ステンレス鋼SUS403、フェライト系ステンレス鋼SUS405、2相ステンレス鋼SUS329J1である。これら板厚1.2mmの薄鋼板をL字状に曲げ、図1に示すように、短辺の一端を対抗させて重ね合わせ、その重ね部にレーザ溶接して試験体12(Tピール試験体)を作製した。また、図10に示すような、縦横130×40mmの鋼板6、7の2枚による突合せ継手も作製した。図10中、符号8は溶接金属を示す。
また、シールド方法は、レーザ照射側から水素の侵入を極力抑えるため、同軸ノズルから絶対湿度0.5g/m3のArを流量50l/分で供給した。シールドガスが届かない鋼板裏面の絶対湿度は12.0 g/m3とした。
そして、溶接終了後10分以内にレーザ再照射を行い、引張試験は溶接終了後の10分後に実施した。なお、実験は、シールドガス中の絶対湿度と溶込み深さを種々に変えて行った。
継手の評価方法は、溶接後72時間経過し、強度低下がなくなったときの試験片の継手強度に対し、その5割で引張試験を行った場合に継手が破壊されるかどうかで行った。
構造体20の全長は510mmとし、構造体20の長手方向に沿って長さ40mmの溶接ビード26を10本形成した。各溶接ビード26間の距離は10mmとし、第1、第2成形部材23,24の長手方向の前後端10mmは非溶接部とした。
構造体作製のためのレーザ溶接条件は、先の実施例と同じとし、溶接時には、図3に示す装置を用い、鋼板裏面の雰囲気を制御できるようにした。また、鋼板表面のシールド方法は、レーザ照射側からの水素侵入を極力抑えるため、同軸ノズルから絶対湿度0.5g/m3のArを流量50l/分で供給した。シールドガスが届かない鋼板裏面の絶対湿度は12.0 g/m3とした。
構造体作製のためのレーザ溶接条件は、先の実施例と同じとし、溶接時には、図3に示すのと同様の装置を用い、2枚目の鋼板裏面の雰囲気を制御できるようにした。また、レーザ照射側から水素が侵入しないよう、鋼板表面のシールド方法およびシールドガス中の絶対湿度は先の実施例と同じにした。シールドガスが届かない鋼板裏面の絶対湿度は12.0 g/m3とした。
継手の評価方法は、溶接後72時間経過し、遅れ破壊が発生するかどうかを示している。
比較例では、遅れ破壊を抑制、防止できることがわかった。
Claims (8)
- 複数の鋼板を重ね合わせ、最上段の鋼板表面にレーザを照射して最下段の鋼板裏面まで溶融させつつ溶接金属を形成するか、または、一対の鋼板を突合せ、突合せ部にレーザを照射して鋼板の表面から裏面まで溶融させつつ溶接金属を形成する場合において、
前記溶接金属を形成してから10分以内に、絶対湿度が2g/m3以下のシールドガスを前記鋼板の表面側から前記溶接金属に供給しつつ、大気に接している鋼板の裏面までレーザーが貫通しないように溶接金属にレーザを1回または2回再照射し、溶接金属を照射回数分だけ再溶融することを特徴とする、耐遅れ破壊特性に優れた鋼板溶接部の製造方法。 - 前記レーザを再照射する際、板厚t1、t2、…tnの鋼板を板厚方向にn枚重ね合わせ、鋼板間の隙間をそれぞれd12、d23、…d(n-1)nとした場合には、溶込み深さhが0.5≦h/(t1+t2、…+tn+d12+d23、…+d(n-1)n)≦0.9を満たすように、溶接金属を再溶融させることを特徴とする、請求項1に記載の耐遅れ破壊特性に優れた鋼板溶接部の製造方法。
- 前記レーザを再照射する際、板厚tの一対の鋼板を突き合わせた場合には、溶込み深さhが0.5≦h/t≦0.9を満たすように、溶接金属を再溶融させることを特徴とする、請求項1に記載の耐遅れ破壊特性に優れた鋼板溶接部の製造方法。
- 前記レーザの再照射および前記溶接金属の再溶融を、溶接ビードの始端部および終端部にのみ行うことを特徴とする、請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の耐遅れ破壊特性に優れた鋼板溶接部の製造方法。
- 前記鋼板が、引張強さ440MPa級以上の鋼板であることを特徴とする、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の耐遅れ破壊特性に優れた鋼板溶接部の製造方法。
- 前記鋼板が、マルテンサイト系ステンレス鋼板、フェライト系ステンレス鋼板、2相ステンレス鋼板のいずれか1種または2種以上であることを特徴とする、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の耐遅れ破壊特性に優れた鋼板溶接部の製造方法。
- 前記レーザによって溶接金属を再溶融させる際に、溶融金属を撹拌させることを特徴とする、請求項1ないし6のいずれか1項に記載の耐遅れ破壊特性に優れた鋼板溶接部の製造方法。
- 請求項1ないし7のいずれか1項に記載の耐遅れ破壊特性に優れた鋼板溶接部の製造方法により製造された鋼板溶接部を有することを特徴とする、耐遅れ破壊特性に優れた鋼構造物。
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