JP5962578B2

JP5962578B2 - 軟質溶接継手の継手強度評価方法

Info

Publication number: JP5962578B2
Application number: JP2013096402A
Authority: JP
Inventors: 博幸角; 恒久半田; 大井　健次; 健次大井
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2013-05-01
Filing date: 2013-05-01
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2033-05-01
Also published as: JP2014219212A

Description

本発明は、溶接金属の強度が母材の強度より低く、軟質部の幅が板厚の大きさと同じかそれ以上である軟質溶接継手の継手強度評価方法に関するものである。

近年、造船，建築，橋梁等の溶接構造物の大型化が進む中、それらに使用される鋼板に対する高強度化及び厚肉化の要望が高まる傾向にある。例えばコンテナ船やタンカー等の大型船舶においては、高速化や低燃費化の観点から船体重量の軽量化を図るために、従来よりも強度が高い鋼板を適用する動きが活発化している。

一般に、鋼板や溶接金属は、強度が高くなると溶接低温割れに対する感受性が高くなる傾向にある。溶接低温割れの発生要因としては、（１）溶接金属の拡散性水素、（２）溶接熱影響部（HAZ : Heat Affected Zone）及び溶接金属の硬化組織、及び（３）溶接継手の拘束応力が知られており、これらの要因が揃った場合に発生するとされている。また、溶接が終了した直後、溶接金属には水素が過飽和状態で溶解していることが多く、この水素が応力の高い場所に拡散集積することによって割れに至ると考えられている。

溶接低温割れが発生することを防止するためには、上述の３つの要因のうちの１つを溶接低温割れが発生しない条件にする必要がある。その具体的な対策として、溶接金属の拡散性水素を低減するためには、低水素系溶接材料の採用、予熱や後熱による拡散性水素の放出促進、及び溶接金属の乾燥や開先面の清浄化等の方法が有効的である。ＨＡＺ及び溶接金属の硬化組織を低減するためには、ＰＣＭ（溶接割れ感受性指数）やＣｅｑ（炭素当量）が低い鋼材の使用や予熱によるＨＡＺ硬化の防止等の方法が有効的である。溶接継手の拘束応力を低減するためには、継手形状や溶接順序の適正化等の方法が有効的である。

ところが、製造現場には、溶接施工の付加的作業となる予熱や後熱はできるだけ軽減又は省略したいとのニーズがある。一方、降伏強度が５００ＭＰａを超える強度レベルにおける鋼材及び溶接材料の耐溶接低温割れ性に関して、鋼板については、化学成分の調整や製造プロセスを最適化することで耐溶接低温割れ性を向上させることができる。しかしながら、溶接材料については、その強度が化学成分に依存するところが大きいため、耐溶接低温割れ性の改善は困難である。これに対して、母材強度より強度が低い溶接金属を用いた軟質溶接継手（いわゆるアンダーマッチ継手）を適用することによって、予熱や後熱等の付加的作業を軽減して溶接低温割れを抑制する方法が提案されている（非特許文献１参照）。

日本溶接協会鉄鋼部会技術委員会ＳＪ委員会；総合報告書（１９７５）

溶接継手に関しては、溶接金属の強度を母材の強度と同等以上にすることが一般的とされている。そのため、軟質溶接継手を適用する場合には、対象となる溶接継手が構造上の要求性能を十分に有していることを保証する必要がある。

日本溶接協会鉄鋼部会ＳＪ委員会の研究成果によれば、軟質部を含む継手の強度を支配する因子は、（１）低強度部の相対厚さＸ_ｈ（＝軟質部厚さＨ／板厚ｔ）、（２）継手の幅厚比Ｗ／ｔ（Ｗ：板幅、ｔ：板厚）、及び（３）軟質度Ｓｒ（＝溶接金属の引張強さσ_Ｔ ^ＷＭ／母材の引張強さσ_Ｔ ^ＢＭ）の３つであり、相対厚さＸ_ｈが小さい程、幅厚比Ｗ／ｔが大きい程、また軟質度Ｓｒが大きい程、継手強度σ_Ｔ ^Ｊは大きくなる。

また、相対厚さＸ_ｈが１未満、つまり軟質部である溶接金属幅に対して板厚ｔが大きい継手においては、継手強度σ_Ｔ ^Ｊが板幅Ｗの影響を受けなくなり母材強度とほぼ同等レベルになるような“十分に広幅な状態”は、幅厚比Ｗ／ｔの値が約４〜５の範囲内で得られるとし、試験片幅が試験片板厚の５倍である広幅継手引張試験片によって軟質溶接継手の継手強度を評価できるとしている。

しかしながら、相対厚さＸ_ｈが１以上、つまり板厚に対して溶接金属幅が大きい継手を考えた場合、軟質部の変形は板厚方向に拘束され難くなる。このため、試験片幅が試験片板厚の５倍である広幅継手引張試験片形状では、塑性拘束効果が不十分になり、実構造物の継手強度を評価できないことになる。実際の溶接構造物では、板厚２０ｍｍ程度の中厚板の突合せ継手が多く、ギャップ寸法も１０ｍｍ前後は許容されるため、相対厚さＸ_ｈが１を超える継手の強度を評価する必要がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、相対厚さＸ_ｈが１以上である軟質溶接継手の継手強度を評価可能な軟質溶接継手の継手強度評価方法を提供することにある。

本発明の発明者らは、板厚２０ｍｍ程度の高強度鋼の軟質溶接継手を対象として、幅厚比が異なる広幅試験片の継手強度に対する相対厚さＸ_ｈの影響を数値解析により検討した。その結果、本発明の発明者らは、相対厚さＸ_ｈが１以上である軟質溶接継手の継手強度は、広幅試験片の幅厚比が１５以上でほぼ一定レベルになることを知見した。また、本発明の発明者らは、実際に広幅試験片による継手強度の評価試験を実施し、数値解析の妥当性を評価した。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。

本発明に係る軟質溶接継手の継手強度評価方法は、溶接金属及び溶接熱影響部の硬さが母材の硬さより低く、以下に示す数式（１）により定義される相対厚さＸ_ｈが１以上である軟質溶接継手の継手強度評価方法であって、試験片幅Ｗｓ、試験片厚ｔｓ、及び試験片平行部長さＬｓが以下に示す数式（２）及び数式（３）を満足する広幅継手引張試験片を用いて継手強度を評価するステップを含むことを特徴とする。

本発明に係る軟質溶接継手の継手強度評価方法は、上記発明において、前記溶接金属の硬さが母材の硬さの８０％以上９５％以下の範囲内にあることを特徴とする。

本発明に係る軟質溶接継手の継手強度評価方法によれば、相対厚さＸ_ｈが１以上である軟質溶接継手の継手強度を評価することができる。

図１は、継手強度に及ぼす試験片の幅厚比の影響を数値解析により検討した結果を示す図である。図２は、広幅継手引張試験片を示す平面図である。

母材強度より強度が低い溶接金属を用いた軟質溶接継手であっても、広幅試験片では軟質部の塑性変形が隣接する硬質部によって拘束されるため（塑性拘束効果）、継手強度は大きくなり、実構造物レベルでは母材強度と同等になる。このような塑性拘束効果と試験片の幅厚比との関係は、軟質溶接継手の形状や軟質度によって異なる。特に板厚に対して軟質部の幅が大きい継手の場合、十分な塑性拘束効果が得られる試験片の幅厚比は大きくなる。

図１は、板厚に対する軟質部の幅である相対厚さＸ_ｈが異なる軟質溶接継手をモデルとして、継手強度に及ぼす試験片の幅厚比Ｗ／ｔの影響を数値解析により検討した結果を示す図である。図中、曲線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３はそれぞれ、相対厚さＸ_ｈが０．５，１．１，２．０である時の試験片の幅厚比Ｗ／ｔと（継手強度／母材強度）との関係を示す曲線である。

図１に示すように、相対厚さＸ_ｈが大きい程、継手強度が母材の強度とほぼ同等レベルになる試験片の幅厚比Ｗ／ｔも大きくなる傾向にある。現実的な溶接継手では、相対厚さＸ_ｈが２を超えるようなケースは非常に稀である。このことから、幅厚比Ｗ／ｔが１５以上の広幅試験片を用いれば、軟質溶接継手の継手強度を十分に評価できるという指針が得られた。本発明は、このような検討結果に基づいた軟質溶接継手の継手強度評価方法である。

まず本発明の対象である軟質溶接継手について述べる。本発明では、溶接金属及び溶接熱影響部の硬さが母材の硬さよりも低い継手を対象としている。これは、軟質溶接継手の適用が溶接部での低温割れ防止を目的とした場合、母材（特に高強度鋼）にはＰＣＭやＣｅｑが低い鋼材が用いられることになり、その場合には溶接熱影響部も軟化することが多い。このため、軟質部の幅についても溶接金属と溶接熱影響部とを合わせたものとした。また、本発明では、軟質部の幅が板厚と同じかそれ以上である軟質溶接継手を対象としていることから、母材板厚に対する軟質部の幅である相対厚さＸ_ｈを１以上とした。相対厚さＸ_ｈの上限値は２以下であることが望ましい。

次に、本発明の継手強度評価に用いる広幅継手引張試験片の限定理由について説明する。試験片幅Ｗｓと試験片厚ｔｓとの比Ｗｓ／ｔｓは１５以上とする。Ｗｓ／ｔｓの値が１５未満である場合、十分な塑性拘束効果が得られないため、軟質溶接継手の継手強度を評価することができない。従って、Ｗｓ／ｔｓの値は１５以上とする。

試験片平行部長さＬｓは試験片幅Ｗｓの１．０倍以上とする。試験片平行部長さＬｓが試験片幅Ｗｓの１．０倍未満である場合、試験片平行部長さＬｓが試験片幅Ｗｓに比べて小さいため（引張方向に対する軟化部の占める体積が大きい）ため、軟質部の変形が過度に拘束されて継手強度を過大評価することになる。このため、試験片平行部長さＬｓは試験片幅Ｗｓの１．０倍以上、好ましくは１．２倍以上とする。

本発明の対象である軟質溶接継手の溶接金属硬さＨＶ（ＷＭ）は、母材硬さＨＶ（ＢＭ）の８０％以上、９５％以下の範囲内とする。溶接金属硬さＨＶ（ＷＭ）が母材硬さＨＶ（ＢＭ）の８０％を下回るような溶接継手は、軟化の度合いが大きすぎるため、母材強度と同等レベルの継手強度を確保することは不可能になる。一方、溶接金属硬さＨＶ（ＷＭ）が母材硬さＨＶ（ＢＭ）の９５％を超えるような溶接継手は、ほぼイーブンマッチ継手とみなすことができ、本発明で提案するような広幅引張試験片で継手強度を評価しなくても、ＪＩＳ等で規格化されている方法で母材強度と同等レベルの継手強度が得られる。従って、本発明の軟質溶接継手は、溶接金属硬さＨＶ（ＷＭ）が母材硬さＨＶ（ＢＭ）の８０％以上、９５％以下の範囲内にある溶接継手とする。なお、本発明における溶接金属硬さＨＶ（ＷＭ）は、溶接金属中央部の板厚方向平均ビッカース硬さ、母材硬さＨＶ（ＢＭ）は母材の板厚方向平均ビッカース硬さとする。

〔実施例〕
以下の表１に示すような板厚２５ｍｍ及び板厚１８ｍｍの引張強度が７００ＭＰａ級の低合金鋼板を母材として、母材よりも低強度クラスの溶接材料（フラックスコアードワイヤ）を用いた多層突合せ溶接軟質継手を作製した。開先形状はＶ形４０°開先とし、溶接姿勢は下向きとした。また、軟質部の幅を変化させるために、開先ギャップは５ｍｍ及び１６ｍｍとした。これらの溶接継手について、断面マクロ観察及びビッカース硬さ試験を実施し、溶接金属硬さＨＶ（ＷＭ）、溶接金属の幅Ｗ（ＷＭ）、溶接熱影響部の幅Ｗ（ＨＡＺ）をそれぞれ求めた。これらの溶接継手の母材板厚ｔ（ＢＭ）に対する軟質溶接部の幅（Ｗ（ＷＭ）＋２×Ｗ（ＨＡＺ））である相対厚さＸ_ｈ（＝｛Ｗ（ＷＭ）＋２×Ｗ（ＨＡＺ）｝／ｔ（ＢＭ））は１を超えており、軟質部の幅広い溶接継手である。

これらの軟質溶接継手に対して、図２に示すような広幅継手引張試験片を採取し、引張試験を実施した。試験結果を以下の表２に示す。表２中の本発明例は、試験片幅Ｗｓと試験片厚ｔｓとの比Ｗｓ／ｔｓが１５以上であり、試験片平行部厚さＬｓが試験片幅Ｗｓと同じがそれ以上とした例である。本発明例によれば、母材の引張強度とほぼ同等以上の継手強度が得られた。一方、表２中の試験片番号Ｎｏ．２，４，６，８の比較例は、試験片幅Ｗｓと試験片厚ｔｓとの比Ｗｓ／ｔｓが１５未満の例である。この比較例では、引張試験時における軟質部の塑性変形が不十分であるため、継手強度が母材の引張強度に比べて小さくなった。また、試験片番号Ｎｏ．９の比較例は、溶接金属硬さＨＶ（ＷＭ）が母材硬さＨＶ（ＢＭ）の８０％未満と軟化の度合いが過大であるため、十分に大きい広幅試験片を用いても継手強度が母材強度と同等レベルを確保できなかった。

以上のことから、試験片幅Ｗｓと試験片厚ｔｓとの比Ｗｓ／ｔｓが１５以上である広幅試験片を用いることによって、相対厚さＸ_ｈが１以上である軟質溶接継手の継手強度を評価できることが確認できた。また、試験片幅Ｗｓと試験片厚ｔｓとの比Ｗｓ／ｔｓが１５以上であっても、溶接金属硬さＨＶ（ＷＭ）が母材硬さＨＶ（ＢＭ）の８０％未満である場合には、相対厚さＸ_ｈが１以上である軟質溶接継手の継手強度を評価できないことが知見された。

Ｌｓ試験片平行部長さ
Ｗｓ試験片幅

Claims

溶接金属及び溶接熱影響部の硬さが母材の硬さより低く、以下に示す数式（１）により定義される相対厚さＸ_ｈが１以上である軟質溶接継手の継手強度評価方法であって、
試験片幅Ｗｓ、試験片厚ｔｓ、及び試験片平行部長さＬｓが以下に示す数式（２）及び数式（３）を満足する広幅継手引張試験片を用いて継手強度を評価するステップを含むことを特徴とする軟質溶接継手の継手強度評価方法。
前記溶接金属の硬さが母材の硬さの８０％以上９５％以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の軟質溶接継手の継手強度評価方法。