JP6693205B2 - 溶接方法および船舶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、船舶が備える鋼板同士を突合わせ溶接する方法に関する。また、その溶接方法を用いる船舶の製造方法に関する。

船舶が備える鋼板には、脆性亀裂の伝播を停止させる特性（以下、「アレスト性」ともいう）が要求される。船舶では、脆性亀裂が発生しやすい箇所が限られており、その箇所にはアレスト性に優れる鋼（以下、「高アレスト鋼」ともいう）が適用される場合が多い。例えば、コンテナ船では、ハッチサイドコーミングウェブおよびデッキプレート等で脆性亀裂が発生しやすい。

図１Ａ〜図１Ｃは、コンテナ船のハッチサイドコーミングの一例を示す模式図である。そのうちの図１Ａはコンテナ船の全体の横断面図、図１Ｂはハッチサイドコーミング周辺（図１ＡのＸ部）を拡大した横断面図、図１Ｃはハッチサイドコーミング周辺の斜視図である。図１Ａおよび図１Ｂは、船舶の長手方向（前後方向）の中間部における横断面図である。図面の理解を容易にするため、図１Ｂおよび図１Ｃでは、隅肉溶接の溶接金属について図示を省略する。

コンテナ船１０は、図１Ａに示すように、上部に開口を有し、その上部には、ハッチサイドコーミング２０が設けられる。ハッチサイドコーミング２０は、図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、ハッチサイドコーミングウェブ２１と、ハッチサイドコーミングトップ２２と、コーミング付きロンジスチフナ２３とを備える。ハッチサイドコーミングウェブ２１は上下方向に沿って設けられる。また、ハッチサイドコーミングトップ２２は、コンテナ船１０の幅方向に沿って設けられ、ハッチサイドコーミングウェブ２１の上部と隅肉溶接によって接合される。なお、ロンジスチフナ２３は、必要に応じて設けられ、ハッチサイドコーミング２０がロンジスチフナ２３を備えない場合もある。

このようなハッチサイドコーミング２０は、デッキプレート１１上に設けられる。具体的には、ハッチサイドコーミングウェブ２１の下部がデッキプレート１１と隅肉溶接または部分溶け込み溶接によって接合される。デッキプレート１１は、コンテナ船１０の幅方向に沿って設けられ、外板１２および縦隔壁１３と隅肉溶接によって接合される。外板１２および縦隔壁１３は、いずれも上下方向に沿って設けられる。そのうちの外板１２はコンテナ船１０の幅方向の舷側に配置され、縦隔壁１３は幅方向の内側に配置される。

ハッチサイドコーミングウェブ２１およびデッキプレート１１等は、コンテナ船１０の長手方向に沿って伸びる。このようなハッチサイドコーミングウェブ２１およびデッキプレート１１等は、いずれも、複数の鋼板からなり、複数の鋼板は突合わせ溶接によって接合される。このため、図１Ｃに示すように、ハッチサイドコーミングウェブ２１は、所定の間隔で突合わせ溶接部２１ｃを有し、その溶接部２１ｃ（溶接線）は上下方向に沿って伸びる。また、デッキプレート１１も、所定の間隔で突合わせ溶接部１１ｃを有し、その溶接部１１ｃ（溶接線）は船舶の幅方向に沿って伸びる。

このようなハッチサイドコーミングウェブ２１およびデッキプレート１１等では、脆性亀裂が発生しやすいことから、高アレスト鋼が適用される場合が多い。

高アレスト鋼を用いても、船舶では、突合わせ溶接部（以下、単に「溶接部」ともいう）のうちの溶接金属内に脆性亀裂が発生し、溶接線に沿って伝播することがある。また、溶接部周辺の母材（鋼板）のアレスト性が、溶接の際の入熱で低減することがある。このような溶接部のうちの熱影響部（以下、「溶接熱影響部」ともいう）では、靱性が低下することから、脆性亀裂の発生および伝播が起きやすい。このため、発生した脆性亀裂が溶接線に沿って溶接熱影響部内を伝播する場合がある。

溶接部での脆性亀裂の伝播を停止する技術は、例えば特許４７３３９５５号公報（以下、「特許文献１」という）および特許５４３３９２８号公報（以下、「特許文献２」という）に記載される。

特許文献１に記載の溶接方法では、脆性亀裂が伝播する可能性のある突合わせ溶接継手において、脆性亀裂を停止させる領域を設ける。その領域では、溶接継手の一部をガウジングまたは機械加工により除去した後、その除去部分を補修溶接することによって補修溶接部を形成する。その補修溶接部は、突合わせ溶接部に比べて高い靭性とし、所定の形状とする。これにより、特許文献１では、溶接部を伝播する脆性亀裂を逸らせて鋼板に導き、亀裂の伝播を停止できるとしている。また、特許文献１では、補修溶接部の靭性を高めるため、Ｎｉを２質量％以上含有する溶接ワイヤを用いて補修溶接を行う。

特許文献２では、Ｖ形の開先が設けられた鋼板同士を多層盛突合わせ溶接する。多層盛突合わせ溶接では、多パスで溶接することにより、複数の溶接層を形成する。その際、表面溶接層と裏面溶接層との間に、超音波打撃処理により圧縮残留応力が付与された改質層を形成する。その改質層は、圧縮残留応力が付与されていることから、脆性亀裂が発生および伝播しにくい特性を有する。このような改質層により、亀裂の伝播を抑制または停止できるとしている。

特許４７３３９５５号公報 特許５４３３９２８号公報

前述の通り、突合わせ溶接部で脆性亀裂が発生し、溶接線に沿って伝播する場合がある。船舶では、突合わせ溶接部のうちの溶接線方向の先端近傍（例えば先端から２０ｍｍの範囲）で脆性亀裂が発生しやすい。具体的には、前記図１Ａ〜図１Ｃに示すようなコンテナ船１０の場合、波による曲げ応力に伴い、ハッチサイドコーミングウェブ２１同士の溶接部２１ｃのうち、上方の先端近傍（図１Ｂの破線の円で囲む部分参照）で脆性亀裂が発生し、上下方向に沿って伝播しやすい。また、デッキプレート１１同士の溶接部１１ｃでは、その両方の先端近傍（舷側および内側の先端近傍、図１Ｂの破線の円で囲む部分参照）のいずれも脆性亀裂が発生しやすく、その亀裂が船舶の幅方向に沿って伝播しやすい。

このような脆性亀裂の伝播を所定の位置で停止させるため、アレスト設計が行われる。例えば、前記図１Ａ〜図１Ｃに示すコンテナ船では、船舶の長手方向において、ハッチサイドコーミングウェブ２１同士の溶接部２１ｃの位置は、デッキプレート１１同士の溶接部１１ｃの位置と異なる。この場合、ハッチサイドコーミングウェブ２１同士の溶接部２１ｃのうちの上方の先端近傍で脆性亀裂が発生し、溶接線に沿って伝播すると、脆性亀裂がデッキプレート１１に到達する。デッキプレート１１はアレスト性に優れるので、亀裂の伝播がデッキプレート１１で停止する。

しかしながら、亀裂の伝播長さが長くなるほど、亀裂の伝播を停止させるのが難しくなるので、亀裂の伝播長さが短い段階（以下、「初期段階」ともいう）で亀裂の伝播を停止させるのが望まれる。また、亀裂の伝播を停止させた後も亀裂が残存するので、亀裂によって船舶が損傷することとなる。この船舶への損傷を低減する観点からも、亀裂の伝播長さが短い段階で亀裂の伝播を停止させるのが望まれる。

前述の特許文献１に記載の溶接方法では、溶接継手の一部をガウジングまたは機械加工により除去した後、その除去部分を補修溶接することによって補修溶接部を形成する。その際、補修溶接部の靭性を高めるため、Ｎｉを２質量％以上含有する溶接ワイヤを用いる。このような特許文献１では、突合わせ溶接部の先端近傍に発生する脆性亀裂について検討されていない。また、特許文献１に記載の溶接方法では、ガウジングや補修溶接によって工数が増加する。また、補修溶接部の靭性を高めるため、高価な溶接ワイヤを用いる必要があり、材料コストが増加する。

前述の特許文献２に記載の溶接方法では、多層盛突合わせ溶接により、表面溶接層、裏面溶接層、および、中間の改質層を形成する。加えて、改質層には、超音波打撃処理によって圧縮残留応力を付与する。このような特許文献２では、突合わせ溶接部の先端近傍に発生する脆性亀裂について検討されていない。また、特許文献２に記載の溶接方法により、溶接のパス数の増加や超音波衝撃処理によって工数が増加する。

本発明の目的は、工数の増加を低減しながら、溶接部のうちで溶接線方向の先端近傍に発生する脆性亀裂の伝播を初期段階で停止できる溶接方法を提供することである。また、その溶接方法を用いる船舶の製造方法を提供することである。

本発明の一実施形態による溶接方法は、船舶が備える第１の鋼板および第２の鋼板を突合わせ溶接する方法であって、当該溶接方法は、溶接前に、前記第１の鋼板と前記第２の鋼板との突合わせ部を、一方の端部である第１のＡ区間と残りのＢ区間とに分割し、または、一方の端部である第１のＡ区間と他方の端部である第２のＡ区間と残りのＢ区間とに分割する工程と、前記区間ごとにアーク溶接を行う工程と、を含む。

前記Ａ区間の長さＬ（ｍｍ）は、２０ｍｍ以上であり、かつ、下記（１）式を満足するのが好ましい。
６０００≧σ（πＬ）^1/2｛（２Ｗ／πＬ）ｔａｎ（πＬ／２Ｗ）｝^1/2 ・・・（１）
ここで、Ｗは前記鋼板の幅（ｍｍ）、σは前記鋼板の幅方向と垂直な方向の許容応力（ＭＰａ）である。

本実施形態の溶接方法は、前記第１の鋼板および前記第２の鋼板が、いずれも、ハッチサイドコーミングウェブである構成を採用できる。この場合、前記突合わせ部を分割する工程では、前記突合わせ部が、上方の端部である前記第１のＡ区間と前記残りのＢ区間に分割される。

本実施形態の溶接方法は、前記第１の鋼板および前記第２の鋼板が、いずれも、デッキプレートである構成を採用できる。この場合、前記突合わせ部を分割する工程では、前記突合わせ部が、船舶の幅方向における舷側の端部である前記第１のＡ区間と、前記幅方向における内側の端部である前記第２のＡ区間と、前記残りのＢ区間に分割される。

本発明の一実施形態による船舶の製造方法は、前記船舶が備える第１の鋼板および第２の鋼板を準備する工程と、上述の溶接方法により、前記第１の鋼板および前記第２の鋼板を突合わせ溶接する工程と、を含む。

本発明の溶接方法および船舶の製造方法は、溶接前に突合わせ部を複数の区間に分割し、それらの区間ごとにアーク溶接を行う。この場合、脆性亀裂が伝播して溶接部の継ぎ目の周辺に到達すると、脆性亀裂が溶接部から逸れてアレスト性の高い鋼板中に導かれる。これにより、脆性亀裂の伝播を初期段階で停止できる。また、ガウジング、補修溶接および超音波衝撃処理を行わないので、工数の増加を低減できる。

図１Ａは、コンテナ船の全体の横断面図である。 図１Ｂは、図１ＡのＸ部を拡大した横断面図である。 図１Ｃは、図１ＡのＸ部を拡大した斜視図である。 図２Ａは、本実施形態の溶接方法によってハッチサイドコーミングウェブ同士を突合わせ溶接する手順例（以下、「第１手順例」ともいう）における突合わせ部の区間を示す模式図である。 図２Ｂは、第１手順例におけるＡ区間の溶接後を示す模式図である。 図２Ｃは、第１手順例における残りのＢ区間の溶接後を示す模式図である。 図３Ａは、溶接回数を１回とする場合にハッチサイドコーミングウェブの溶接部で圧縮残留応力が発生する部分を示す模式図である。 図３Ｂは、溶接回数を２回とする場合にハッチサイドコーミングウェブの溶接部で圧縮残留応力が発生する部分を示す模式図である。 図４Ａは、本実施形態の溶接方法によってデッキプレート同士を突合わせ溶接する手順例（以下、「第２手順例」ともいう）における突合わせ部の区間を示す模式図である。 図４Ｂは、第２手順例における舷側のＡ区間の溶接後を示す模式図である。 図４Ｃは、第２手順例における内側のＡ区間の溶接後を示す模式図である。 図４Ｄは、第２手順例における残りのＢ区間の溶接後を示す模式図である。 図４Ｅは、第２手順例における溶接後の残留応力分布を示す模式図である。 図５Ａは、実施例の試験体を模式的に示す正面図である。 図５Ｂは、図５Ａの右側面図である。 図６Ａは、本発明例１での試験体の作製手順におけるＡ区間の突合わせ溶接後を模式的に示す正面図である。 図６Ｂは、本発明例１での試験体の作製手順におけるノッチ加工後を模式的に示す正面図である。 図６Ｃは、本発明例１での試験体の作製手順におけるＬＢＨ模擬板の隅肉溶接後を模式的に示す正面図である。 図６Ｄは、本発明例１での試験体の作製手順におけるＨＳＣ模擬板の仮付け溶接後を模式的に示す正面図である。 図６Ｅは、本発明例１での試験体の作製手順における残りのＢ区間の突合わせ溶接後を模式的に示す正面図である。 図６Ｆは、本発明例１での試験体の作製手順におけるＨＳＣ模擬板の本溶接後を模式的に示す正面図である。 図７Ａは、比較例１での試験体の作製手順における突合わせ溶接後を模式的に示す正面図である。 図７Ｂは、比較例１での試験体の作製手順におけるノッチ加工後を模式的に示す正面図である。 図７Ｃは、比較例１での試験体の作製手順におけるＬＢＨ模擬板の隅肉溶接後を模式的に示す正面図である。 図７Ｄは、比較例１での試験体の作製手順におけるＨＳＣ模擬板の仮付け溶接後を模式的に示す正面図である。 図７Ｅは、比較例１での試験体の作製手順におけるＨＳＣ模擬板の本溶接後を模式的に示す正面図である。 図８Ａは、本発明例１で亀裂が伝播した経路を模式的に示す正面図である。 図８Ｂは、比較例１で亀裂が伝播した経路を模式的に示す正面図である。

本実施形態の溶接方法では、船舶が備える第１の鋼板および第２の鋼板を突合わせ溶接する。本実施形態の溶接方法は、例えば、前記図１Ａ〜図１Ｃに示すようなハッチサイドコーミングウェブ２１同士の突合わせ溶接を対象にできる。この場合、第１の鋼板および第２の鋼板は、いずれも、ハッチサイドコーミングウェブ２１となる。また、本実施形態の溶接方法は、デッキプレート１１同士の突合わせ溶接を対象にしてもよい。この場合、第１の鋼板および第２の鋼板は、いずれも、デッキプレート１１となる。

本実施形態の溶接方法について、ハッチサイドコーミングウェブ同士の突合わせ溶接に適用する場合の手順例を参照しながら以下に説明する。

図２Ａ〜図２Ｃは、本実施形態の溶接方法によってハッチサイドコーミングウェブ同士を突合わせ溶接する手順例を示す模式図である。そのうちの図２Ａは突合わせ部の区間、図２ＢはＡ区間の溶接後、図２Ｃは残りのＢ区間の溶接後をそれぞれ示す。図２Ａ〜図２Ｃは、ハッチサイドコーミングウェブを図１Ｂの右側から観察する場合を示す。なお、本発明において、溶接部は、溶接金属と溶接熱影響部とを含むが、図面の理解を容易にするため、図２Ａ〜図２Ｃおよび後述の図３Ａ〜図８Ｂでは、溶接金属を溶接部として示す。

本実施形態の溶接方法は、溶接前に、第１の鋼板２１ａと第２の鋼板２１ｂとの突合わせ部２１ｆ（本手順例ではハッチサイドコーミングウェブ同士の溶接線）を複数の区間に分割する工程と、それらの区間ごとにアーク溶接を行う工程と、を含む。

溶接前に突合わせ部２１ｆを分割する工程では、突合わせ部２１ｆを２つの区間または３つの区間に分割する。突合わせ部２１ｆを２つの区間に分割する態様では、図２Ａに示すように、溶接（溶接線２１ｅ）方向の一方の端部である第１のＡ区間Ｚ１と、残りのＢ区間ＺＲとに分割する。後述の図４Ａに示すように、突合わせ部１１ｆを３つの区間に分割する態様では、一方の端部である第１のＡ区間Ｚ１と、他方の端部である第２のＡ区間Ｚ２と、残りのＢ区間ＺＲとに分割する。

続いて、突合わせ部２１ｆについて、上述の区間ごとにアーク溶接を行う。図２Ａ〜図２Ｃに示す手順例では、Ａ区間Ｚ１についてアーク溶接を行った後（図２Ｂ参照）、残りのＢ区間ＺＲについてアーク溶接を行う（図２Ｃ参照）。このように区間ごとに溶接を行うことにより、連続する溶接部２１ｃを複数回の溶接によって形成する。これにより、形成された溶接部２１ｃは、区間の境界に継ぎ目２１ｄを有し、その継ぎ目２１ｄの周辺に圧縮残留応力が発生する。その理由を図３Ａおよび図３Ｂを参照しながら説明する。

図３Ａおよび図３Ｂは、ハッチサイドコーミングウェブの溶接部で圧縮残留応力が発生する部分を示す模式図である。そのうちの図３Ａは溶接回数を１回とする場合、図３Ｂは溶接回数を２回とする場合をそれぞれ示す。図３Ａおよび図３Ｂでは、溶接部２１ｃのうちで圧縮残留応力が発生する部分を破線で囲んで示し、それ以外の部分では引張残留応力が発生する。図３Ａは、突合わせ部を分割することなく、１回の溶接によって溶接部２１ｃを形成する場合を示す。また、図３Ｂは、前述の図２Ａ〜図２Ｃに示す手順例を採用する場合を示す。なお、以下の説明において、開始部は、溶接部のうちで溶接開始時に形成される部分を意味し、終了部は、溶接部のうちで溶接終了時に形成される部分を意味する。

アーク溶接によって連続する溶接部を形成する場合、開始部と終了部との間の部分では、変形が拘束された状態で溶接入熱により溶融膨張し、その後凝固収縮する。このため、開始部と終了部の間の部分には、引張残留応力が発生する。一方で、開始部および終了部は、開始部と終了部の間の部分と比べ、自由端面があるため変形しやすい。このため、開始部と終了部の間の部分に発生した引張残留応力との応力バランスを保つように圧縮残留応力が開始部および終了部に発生する。

したがって、１回の溶接によって溶接部２１ｃを形成する場合、溶接部２１ｃのうち、溶接線方向の両方の先端周辺（図３Ａでは上方および下方の先端周辺）では、圧縮残留応力が発生し、それらの間の部分では引張残留応力が発生する。この場合、溶接部の上方の先端近傍で脆性亀裂が発生すると、引張残留応力が発生している部分を溶接線方向（図３Ａでは上下方向）に沿って伝播し、溶接部２１ｃの下方の先端やデッキプレート（図示なし）まで到達しやすい。

これに対し、本実施形態の溶接方法では、突合わせ部を複数の区間に分割し、連続する溶接部２１ｃを複数回の溶接によって形成する。この場合、各回の溶接において、開始部および終了部に圧縮残留応力が発生する。このため、区間の境界周辺（継ぎ目２１ｄの周辺）に圧縮残留応力が発生する（図３Ｂ参照）。この場合、溶接部の上方の先端近傍で発生した脆性亀裂が溶接線方向に沿って伝播し、脆性亀裂が継ぎ目２１ｄの周辺に到達すると、溶接線方向に沿うことなく、脆性亀裂が逸れて第１の鋼板２１ａおよび第２の鋼板２１ｂのいずれかに導かれる。第１の鋼板２１ａまたは第２の鋼板２１ｂに到達した脆性亀裂は、鋼板のアレスト性によって伝播を停止する。

このように本実施形態の溶接方法では、溶接部２１ｃの溶接線方向の先端近傍で脆性亀裂が発生した場合でも、溶接部２１ｃの継ぎ目２１ｄの周辺で逸らして鋼板に導くことができる。これにより、亀裂の伝播を停止できるので、本実施形態の溶接方法は、脆性亀裂の伝播を初期段階で停止できる。

本実施形態の溶接方法では、突合わせ部を複数の区間に分割し、複数回の溶接によって溶接部を形成する。このため、本実施形態の溶接方法は、突合わせ部を分割することなく、１回の溶接によって溶接部を形成する場合と比べ、工数が増加する。しかしながら、本実施形態の溶接方法における工数の増加は、特許文献１に記載の溶接方法におけるガウジングや補修溶接による工数の増加と比べ、軽微である。また、本実施形態の溶接方法における工数の増加は、特許文献２に記載の溶接方法におけるガウジングや補修溶接による工数の増加と比べ、小さい。溶接のパス数の増加や超音波衝撃処理による工数の増加と比べ、軽微である。このため、本実施形態の溶接方法は、従来の溶接方法と比べ、工数の増加を低減できる。

また、本実施形態の溶接方法では、特許文献１に記載の溶接方法のように高価な溶接ワイヤを用いなくてもよい。このため、安価な溶接ワイヤを用いれば、材料コストの増加を防止できる。

突合わせ部を２つの区間に分割する態様、および、突合わせ部を３つの区間に分割する態様のいずれを採用するかは、例えば、脆性亀裂が発生する可能性に基づいて決定すればよい。ハッチサイドコーミングウェブ同士の突合わせ溶接を対象とする場合のように、一方の先端近傍でのみ脆性亀裂が発生しやすければ、２つの区間に分割する態様および３つの区間に分割する態様のいずれも採用できる。工数の増加をより低減する観点では、２つの区間に分割する態様を採用するのが好ましい。

デッキプレート同士の突合わせ溶接を対象とする場合のように、両方の先端近傍のいずれでも脆性亀裂が発生しやすければ、３つの区間に分割する態様を採用するのが好ましい。３つの区間に分割する態様の手順例については、後で詳述する。

２つの区間に分割する態様を採用する場合、突合わせ部を一方の端部であるＡ区間と残りのＢ区間とに分割するが、両方の端部のいずれをＡ区間に設定するかは、脆性亀裂が発生する可能性に基づいて決定すればよい。具体的には、一方の端部（Ａ区間）が、脆性亀裂が発生しやすい先端近傍を含むようにすればよく、ハッチサイドコーミングウェブであれば、上方の端部をＡ区間とすればよい。

２つの区間に分割する態様、および、３つの区間に分割する態様のいずれでも、Ａ区間の長さＬ（ｍｍ）（図２Ａ参照）は、２０ｍｍ以上であるのが好ましい。その理由を以下に説明する。なお、３つの区間に分割する態様を採用する場合、２つのＡ区間の長さを、同じにしてもよく、あるいは、異ならせてもよい。Ａ区間の長さＬ（ｍｍ）は、突合わせ部の溶接方向（図２Ａの実線矢印参照）の先端からＢ区間との境界までの距離を意味する。

溶接欠陥は、溶接部の溶接線方向の先端から２０ｍｍの範囲内で発生しやすく、その範囲内で脆性亀裂が発生しやすい。このため、Ａ区間の長さが２０ｍｍ以上であれば、区間内で伝播しやすい脆性亀裂が発生することになり、亀裂の伝播を停止する効果が増大する。脆性亀裂の伝播開始時よりも、脆性亀裂が僅かに伝播した状態の方が、圧縮残留応力による亀裂の伝播を停止する効果が増大する。このため、Ａ区間の長さは５０ｍｍ以上とするのがより好ましい。亀裂の伝播を停止する効果をより増大させる観点から、Ａ区間の長さは、８０ｍｍ以上とするのが最も好ましい。

ここで、亀裂の伝播のしやすさは、下記（２）式の指数Ｋｄによって数値化できる。亀裂の伝播を停止するためには、指数Ｋｄは、鋼板の亀裂伝播停止靭性値Ｋｃａ（Ｎ／ｍｍ^3/2）以下とする必要がある。
Ｋｄ＝σ₁（πａ）^1/2｛（２Ｗ／πａ）ｔａｎ（πａ／２Ｗ）｝^1/2 ・・・（２）
ただし、σ₁は亀裂伝播方向と垂直な方向の応力（ＭＰａ）、ａは亀裂の長さ（ｍｍ）、Ｗは鋼板の幅（ｍｍ）である。

脆性亀裂が溶接部を伝播する場合、亀裂伝播方向と垂直な方向の応力σ₁は、鋼板の幅方向と垂直な方向（図２Ａの破線矢印参照）の応力となる。亀裂の長さａにＡ区間の長さＬ（ｍｍ）および応力σ₁（実応力）に許容応力σ（ＭＰａ）を代入することによって算出される指数Ｋｄを、鋼板の亀裂伝播停止靭性値Ｋｃａ（Ｎ／ｍｍ^3/2）以下とする。この場合、溶接部の継ぎ目の周辺で鋼板に導かれた脆性亀裂は、鋼板のアレスト性によって伝播を確実に停止する。換言すると、Ａ区間の長さＬ（ｍｍ）が下記（３）式を満足すれば、脆性亀裂の伝播を確実に停止できる。このため、Ａ区間の長さＬ（ｍｍ）が下記（３）式を満足するのが好ましい。
Ｋｃａ≧σ（πＬ）^1/2｛（２Ｗ／πＬ）ｔａｎ（πＬ／２Ｗ）｝^1/2 ・・・（３）

船舶では、アレスト性が要求される箇所に使用される鋼板の亀裂伝播停止靭性値は、(−１０℃以下で)６０００Ｎ／ｍｍ^3/2以上である場合が多い。このため、Ａ区間の長さＬ（ｍｍ）が、下記（１）式を満足するのがより好ましい。Ａ区間の長さＬ（ｍｍ）が下記（１）式を満足すれば、鋼板の亀裂伝播停止靭性値が６０００Ｎ／ｍｍ^3/2程度である場合に伝播を確実に停止でき、靭性値がより高い場合には伝播をより確実に停止できる。
６０００≧σ（πＬ）^1/2｛（２Ｗ／πＬ）ｔａｎ（πＬ／２Ｗ）｝^1/2 ・・・（１）

許容応力σは、設計上の鋼板に作用してよい応力の大きさの上限値で、換言すると、設計時に鋼板に作用することが予測される応力(使用応力)である。このような許容応力は、強度計算によって算出でき、例えば、財団法人日本海事協会の鋼船規則ＣＳＲ−Ｂ編に基づいて算出できる。許容応力は、例えば、ハッチサイドコーミングやデッキプレートであれば、２５０〜３２０ＭＰａ程度である。なお、鋼板の幅Ｗ（図２Ａ参照、単位：ｍｍ）は、換言すると、突合わせ部の長さである。

続いて、本実施形態の溶接方法をデッキプレート同士の突合わせ溶接に適用する場合の手順例を説明する。

図４Ａ〜図４Ｅは、本実施形態の溶接方法によってデッキプレート同士を突合わせ溶接する手順例を示す模式図である。そのうちの図４Ａは突合わせ部の区間、図４Ｂは舷側のＡ区間の溶接後、図４Ｃは内側のＡ区間の溶接後、図４Ｄは残りのＢ区間の溶接後、図４Ｅは溶接後の残留応力分布をそれぞれ示す。図４Ａ〜図４Ｅは、デッキプレートを図１Ｂの上方から観察する場合を示す。図４Ｅでは、溶接部１１ｃのうちで圧縮残留応力が発生する部分を破線で囲んで示し、それ以外の部分では引張残留応力が発生する。

本手順例では、図４Ａに示すように、突合わせ部１１ｆを３つの区間に分割する。具体的には、船舶の幅方向における舷側の端部である第１のＡ区間Ｚ１と、船舶の幅方向における内側の端部である第２のＡ区間Ｚ２と、残りのＢ区間ＺＲとに分割する。

続いて、上述の区間ごとにアーク溶接を行う。図４Ａ〜図４Ｅに示す手順例では、舷側のＡ区間Ｚ１についてアーク溶接を行った後（図４Ｂ参照）、内側のＡ区間Ｚ２についてアーク溶接を行い（図４Ｃ参照）、その後、残りのＢ区間ＺＲについてアーク溶接を行う（図４Ｄ参照）。

これにより、形成された溶接部１１ｃは、区間の境界に継ぎ目１１ｄを有し、その継ぎ目１１ｄの周辺に圧縮残留応力が発生する（図４Ｅ参照）。このため、溶接部のうちで船舶の幅方向の舷側の先端近傍で脆性亀裂が発生して伝播し、脆性亀裂がその舷側の継ぎ目１１ｄの周辺に到達すると、脆性亀裂が逸れて第１の鋼板１１ａまたは第２の鋼板１１ｂに導かれる。また、溶接部のうちで船舶の幅方向の内側の先端近傍で脆性亀裂が発生して伝播し、脆性亀裂がその内側の継ぎ目１１ｄの周辺に到達すると、脆性亀裂が逸れて第１の鋼板１１ａまたは第２の鋼板１１ｂに導かれる。したがって、脆性亀裂は、初期段階で第１の鋼板１１ａまたは第２の鋼板１１ｂに到達し、亀裂の伝播を停止する。

突合わせ部を２つの区間に分割する態様、および、突合わせ部を３つの区間に分割する態様のいずれでも、溶接を行う順序に特に制限はない。具体的には、突合わせ部を２つの区間に分割する態様であれば、図２Ａ〜図２Ｃに示す手順例のように、Ａ区間Ｚ１の溶接を行った後に残りのＢ区間ＺＲの溶接を行うことができる。あるいは、残りのＢ区間ＺＲの溶接を行った後に、Ａ区間Ｚ１の溶接を行ってもよい。この場合でも、図３Ｂに示すように、継ぎ目２１ｄの周辺に圧縮残留応力が発生し、亀裂の伝播を停止できる。

Ａ区間Ｚ１の溶接を行った後に残りのＢ区間ＺＲの溶接を行えば、Ａ区間Ｚ１の溶接を仮付け溶接として利用でき、作業性を向上できる。このため、Ａ区間Ｚ１の溶接を行った後に残りのＢ区間ＺＲの溶接を行うのが好ましい。

突合わせ部を３つの区間に分割する態様でも、図４Ａ〜図４Ｄに示す手順例の順序に限定されず、他の順序で溶接を行ってもよい。２つのＡ区間Ｚ１およびＺ２の溶接を仮付け溶接として利用する観点から、残りのＢ区間ＺＲの溶接を最後に行うのが好ましい。

突合わせ部を２つの区間に分割する態様または３つの区間に分割する態様のどちらでも、残りのＢ区間ＺＲを複数に分割し、区間ごとにアーク溶接を行ってもよい。

第１および第２の鋼板の寸法や材質に特に制限はなく、従来から船舶に用いられる鋼板を用いることができる。例えば、鋼板の寸法は、長さ：１０００〜８０００ｍｍ、幅：１０００〜４０００ｍｍ、厚さ：６〜２５０ｍｍとすることができる。また、鋼板に逸れた亀裂を確実に停止させる観点から、鋼板の亀裂伝播停止靭性値は―１０℃で６０００Ｎ／ｍｍ^3/2以上とするのが好ましく、―１０℃で８０００Ｎ／ｍｍ^3/2以上とするのがより好ましく、―１０℃で１００００Ｎ／ｍｍ^3/2以上とするのが最も好ましい。

複数回の溶接によって溶接部を形成する場合、溶接部の継ぎ目で発生する溶接欠陥を防止するため、区間ごとにアーク溶接を行う工程では、複数回の溶接の間に、グラインダーを用いた研削等により、後段の溶接における開始部または終了部と接続する部分の余盛を除去するのが好ましい。例えば、図２Ａ〜図２Ｃに示す手順例であれば、後段の残りのＢ区間ＺＲの溶接前に（図２Ｂに示す状態で）、溶接部２１ｃの下部の余盛を除去するのが好ましい。また、図４Ａ〜図４Ｅに示す手順例であれば、残りのＢ区間ＺＲの溶接前に（図４Ｃに示す状態で）、内側のＡ区間Ｚ１の溶接部１１ｃのうちで船舶の幅方向の内側部分の余盛を除去するとともに、舷側のＡ区間Ｚ２の溶接部１１ｃのうちで船舶の幅方向の舷側部分の余盛を除去するのが好ましい。

開先形状およびアーク溶接の種類等の溶接条件には、特に制限がなく、従来と同様に適宜設定することができる。アーク溶接には、例えば、一般的なガスシールドアーク溶接を採用できる。また、シールドガスには、例えば、一般的な二酸化炭素を採用できる。

［船舶の製造方法］
本実施形態の船舶の製造方法は、船舶が備える第１の鋼板および第２の鋼板を準備する工程と、その第１の鋼板および第２の鋼板を突合わせ溶接する工程と、を含む。突合わせ溶接は、前述の本実施形態の溶接方法によって行う。このため、本実施形態の船舶の製造方法によれば、脆性亀裂の伝播を鋼板に逸らせ、脆性亀裂の伝播を初期段階で停止できる。また、工数の増加を低減でき、安価な溶接ワイヤを用いる場合は材料コストの増加を防止できる。

本実施形態の船舶の製造方法は、上述の工程を含めばよく、それ以外は従来の船舶の製造方法と同様に行えばよい。

本発明の効果を確認するため、試験体を作製し、その試験体を用いて亀裂を伝播させる試験を行った。

［試験体の作製］
図５Ａおよび図５Ｂは、実施例の試験体を示す模式図である。そのうちの図５Ａは正面図であり、図５Ｂは右側面図である。試験体３０の側面形状は、図５Ｂに示すように、十字状であり、複数の鋼板を溶接することによって作製される。試験体３０は、ハッチサイドコーミングウェブを模擬するＨＳＣ模擬板３１と、デッキプレートを模擬するＤＰ模擬板３２と、縦隔壁を模擬するＬＢＨ模擬板３３とを備える。ＨＳＣ模擬板３１は、第１の鋼板３１ａおよび第２の鋼板３１ｂからなり、長手方向の中央に突合わせ溶接部３１ｃを有する。ＨＳＣ模擬板３１およびＬＢＨ模擬板３３は、いずれも、ＤＰ模擬板３２に隅肉溶接されている。

ＨＳＣ模擬板３１、ＤＰ模擬板３２およびＬＢＨ模擬板３３の材質は、炭素鋼とした。その鋼板の亀裂伝播停止靭性値が―１０℃で３０００Ｎ／ｍｍ^3/2程度であり、アレスト性が低い。このため、突合わせ溶接部３１ｃから鋼板に到達した脆性亀裂は、伝播を停止することなく、伝播を継続する。

ＨＳＣ模擬板３１、ＤＰ模擬板３２およびＬＢＨ模擬板３３の寸法は、以下の通りである。なお、ＨＳＣ模擬板３１の寸法は、突合わせ溶接後の寸法である。
ＨＳＣ模擬板３１の寸法：長さ１０００ｍｍ、幅５００ｍｍ、厚さ１００ｍｍ
ＤＰ模擬板３２の寸法：長さ１０００ｍｍ、幅５００ｍｍ、厚さ１００ｍｍ
ＬＢＨ模擬板３３の寸法：長さ１０００ｍｍ、幅２００ｍｍ、厚さ１００ｍｍ

突合わせ溶接および隅肉溶接は、いずれも、ガスシールドアーク溶接により行った。その際、シールドガスには二酸化炭素を用いた。ＨＳＣ模擬板３１の突合わせ溶接部３１ｃは、以下の条件とした。
開先形状：Ｖ形
開先角度：３０°
開先深さ：１００ｍｍ

図６Ａ〜図６Ｆは、本発明例１での試験体の作製手順を模式的に示す正面図である。そのうちの図６ＡはＡ区間の突合わせ溶接後、図６Ｂはノッチ加工後、図６ＣはＬＢＨ模擬板の隅肉溶接後、図６ＤはＨＳＣ模擬板の仮付け溶接後、図６Ｅは残りのＢ区間の突合わせ溶接後、図６ＦはＨＳＣ模擬板の本溶接後をそれぞれ示す。図面の理解を容易にするため、図６Ａ〜図６Ｆでは、当該手順で形成した突合わせ溶接部３１ｃまたは隅肉溶接部３４にハッチングを施す。

本発明例１では、ＨＳＣ模擬板３１を構成する第１の鋼板３１ａおよび第２の鋼板３１ｂを突合わせ溶接する前に、突合わせ部を上方の端部であるＡ区間と、残りのＢ区間に分割した。Ａ区間の長さは、１１５ｍｍとした。続いて、図６Ａに示すように、Ａ区間を溶接した。その際、突合わせ溶接部３１ｃで欠陥が発生するのを防止するため、タブ板３６を用いた。Ａ区間の溶接後、突合わせ溶接部の上側の先端から、脆性亀裂を模擬するノッチ３５を溶接線に沿って設けることにより、亀裂を導入した（図６Ｂ参照）。ノッチ３５は、幅１５ｍｍ、長さ１００ｍｍ、深さ２０ｍｍとした。

一方で、ＬＢＨ模擬板３３をＤＰ模擬板３２に隅肉溶接した（図６Ｃ参照）。そのＤＰ模擬板３２に、さらにＨＳＣ模擬板３１を隅肉溶接によって仮付けした（図６Ｄ参照）。この状態で、残りのＢ区間をアーク溶接し、ＨＳＣ模擬板３１の突合わせ溶接部３１ｃを完成させた（図６Ｅ参照）。最後に、仮付けのＨＳＣ模擬板３１をＤＰ模擬板３２に本溶接した（図６Ｆ参照）。

図７Ａ〜図７Ｅは、比較例１での試験体の作製手順を模式的に示す正面図である。そのうちの図７Ａは突合わせ溶接後、図７Ｂはノッチ加工後、図７ＣはＬＢＨ模擬板の隅肉溶接後、図７ＤはＨＳＣ模擬板の仮付け溶接後、図７ＥはＨＳＣ模擬板の本溶接後をそれぞれ示す。図７Ａ〜図７Ｅでは、当該手順で形成した突合わせ溶接部３１ｃまたは隅肉溶接部３４にハッチングを施す。

比較例１では、最初に、ＨＳＣ模擬板３１を構成する第１の鋼板３１ａおよび第２の鋼板３１ｂを突合わせ溶接した（図７Ａ参照）。その際、突合わせ部を分割することなく、１回の溶接によって溶接部３１ｃを形成した。また、溶接部３１ｃで欠陥が発生するのを防止するため、タブ板３６を用いた。突合わせ溶接後、突合わせ溶接部３１ｃの上側の先端から、脆性亀裂を模擬するノッチ３５を溶接線に沿って設けることにより、亀裂を導入した（図７Ｂ参照）。ノッチ３５の寸法は、本発明例１と同じにした。一方で、ＬＢＨ模擬板３３をＤＰ模擬板３２に隅肉溶接した（図７Ｃ参照）。そのＤＰ模擬板３２に、さらにＨＳＣ模擬板３１を隅肉溶接によって仮付けした（図７Ｄ参照）。最後に、仮付けのＨＳＣ模擬板３１をＤＰ模擬板３２に本溶接した（図７Ｆ参照）。

比較例２では、本発明例１と同様の手順で試験体を得た後、その試験体に荷重を負荷することにより、突合わせ溶接部３１ｃの圧縮残留応力を除去した。荷重は、鋼板の降伏応力３９０ＭＰａの９０％の応力が突合わせ溶接部３１ｃに付与されるように設定した。なお、鋼板の降伏応力は、規格で規定される降伏応力の最小値とした。

［亀裂の伝播試験］
試験は、日本溶接協会規格ＷＥＳ２８１５（２０１４）を参考にして行った。具体的には、ＨＳＣ模擬板３１に温度勾配を付与するとともに、ＤＰ模擬板３２およびＬＢＨ模擬板３３を一定温度とした状態で、引張応力が突合わせ溶接部３１ｃの溶接線と垂直な方向に発生するように荷重を負荷した。引張応力は、実際のコンテナ船の設計応力を模擬し、２５７ＭＰａとした。

［試験結果］
図８Ａおよび図８Ｂは、実施例で亀裂が伝播した経路を模式的に示す正面図である。そのうちの図８Ａは本発明例１を、図８Ｂは比較例１をそれぞれ示す。図８Ａおよび図８Ｂでは、亀裂が伝播した経路を破線矢印で示す。

比較例１では、図８Ｂに示すように、脆性亀裂を模擬する亀裂が、ＨＳＣ模擬板３１の突合わせ溶接部３１ｃの溶接線に沿って伝播（直進）した。本試験では、アレスト性の低い鋼板を用いたので、ＤＰ模擬板に到達した亀裂は、伝播（直進）を停止することなく、ＬＢＨ模擬板３３まで到達し、試験体３０が破断した。比較例２でも、比較例１と同様に、亀裂が伝播した。

これに対し、本発明例１では、図８Ａに示すように、脆性亀裂を模擬する亀裂が、ＨＳＣ模擬板３１の突合わせ溶接部３１ｃの溶接線に沿って伝播した後、溶接部の継ぎ目３１ｄ（Ａ区間と残りのＢ区間の境界）の手前で逸れた。このため、亀裂は、第２の鋼板３１ｂに到達した。本試験では、アレスト性の低い鋼板を用いたので、第２の鋼板３１ｂに到達した亀裂は、伝播を継続し、第２の鋼板３１ｂの長手方向の先端まで到達し、試験体３０が破断した。

これらから、本実施形態の溶接方法および船体の製造方法によれば、溶接部の先端近傍に発生して伝播する脆性亀裂を初期段階で逸らせて鋼板に導けることが確認できた。

本発明の溶接方法および船舶の製造方法によれば、工数の増加を低減しながら、溶接部のうちで溶接線方向の先端近傍に発生する脆性亀裂の伝播を初期段階で停止できる。ハッチサイドコーミングウェブ同士およびデッキプレート同士の突合わせ溶接部では、先端近傍で脆性亀裂が発生して溶接線方向に沿って伝播しやすい。このため、ハッチサイドコーミングウェブ同士およびデッキプレート同士の突合わせ溶接において特に有効に利用できる。

１０：コンテナ船、 １１：デッキプレート、 １１ａ：第１の鋼板、
１１ｂ：第２の鋼板、 １１ｃ：突合わせ溶接部（溶接金属）、 １１ｄ：継ぎ目、
１１ｅ：溶接線、 １１ｆ：突合わせ部、 １２：外板、 １３：縦隔壁、
１４：デッキロッジ、 ２０：ハッチサイドコーミング、
２１：ハッチサイドコーミングウェブ、 ２１ａ：第１の鋼板、
２１ｂ：第２の鋼板、 ２１ｃ：突合わせ溶接部（溶接金属）、 ２１ｄ：継ぎ目、
２１ｅ：溶接線、 ２１ｆ：突合わせ部、 ２２：ハッチサイドコーミングトップ、
２３：コーミング付きロンジスチフナ、 Ｚ１：第１のＡ区間、
Ｚ２：第２のＡ区間、 ＺＲ：残りのＢ区間、 ３０：試験体、
３１：ＨＳＣ模擬板、 ３１ａ：第１の鋼板、 ３１ｂ：第２の鋼板、
３１ｃ：突合わせ溶接部（溶接金属）、 ３１ｄ：継ぎ目、 ３２：ＤＰ模擬板、
３３：ＬＢＨ模擬板、 ３４：隅肉溶接部（溶接金属）、 ３５：ノッチ、
３６：タブ板

Claims (4)

1. 船舶が備える第１の鋼板および第２の鋼板を突合わせ溶接する方法であって、
   当該溶接方法は、
   溶接前に、前記第１の鋼板と前記第２の鋼板との突合わせ部を、一方の端部である第１のＡ区間と残りのＢ区間とに分割する工程と、
   前記区間ごとにアーク溶接を行う工程と、を含み、
   前記第１の鋼板および前記第２の鋼板は、いずれも、ハッチサイドコーミングウェブであり、
   前記突合わせ部を分割する工程では、前記突合わせ部が、上方の端部である前記第１のＡ区間と前記残りのＢ区間とに分割され、
   前記Ａ区間の長さＬ（ｍｍ）は、２０ｍｍ以上であり、かつ、下記（１）式を満足する、溶接方法。
   ６０００≧σ（πＬ） ^1/2 ｛（２Ｗ／πＬ）ｔａｎ（πＬ／２Ｗ）｝ ^1/2 ・・・（１）
   ここで、Ｗは前記第１の鋼板および前記第２の鋼板の幅（ｍｍ）であり、前記幅Ｗは１０００〜４０００ｍｍであり、
   σは前記第１の鋼板および前記第２の鋼板の幅方向と垂直な方向の許容応力（ＭＰａ）であり、前記許容応力σは２５０〜３２０ＭＰａである。
2. 船舶が備える第１の鋼板および第２の鋼板を突合わせ溶接する方法であって、
   当該溶接方法は、
   溶接前に、前記第１の鋼板と前記第２の鋼板との突合わせ部を、一方の端部である第１のＡ区間と他方の端部である第２のＡ区間と残りのＢ区間とに分割する工程と、
   前記区間ごとにアーク溶接を行う工程と、を含み、
   前記第１の鋼板および前記第２の鋼板は、いずれも、デッキプレートであり、
   前記突合わせ部を分割する工程では、前記突合わせ部が、船舶の幅方向における舷側の端部である前記第１のＡ区間と、前記幅方向における内側の端部である前記第２のＡ区間と、前記残りのＢ区間に分割される、溶接方法。
3. 請求項２に記載の溶接方法であって、
   前記Ａ区間の長さＬ（ｍｍ）は、２０ｍｍ以上であり、かつ、下記（１）式を満足する、溶接方法。
   ６０００≧σ（πＬ） ^1/2 ｛（２Ｗ／πＬ）ｔａｎ（πＬ／２Ｗ）｝ ^1/2 ・・・（１）
   ここで、Ｗは前記第１の鋼板および前記第２の鋼板の幅（ｍｍ）、σは前記第１の鋼板および前記第２の鋼板の幅方向と垂直な方向の許容応力（ＭＰａ）である。
4. 船舶を製造する方法であって、
   当該製造方法は、
   前記船舶が備える第１の鋼板および第２の鋼板を準備する工程と、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶接方法により、前記第１の鋼板および前記第２の鋼板を突合わせ溶接する工程と、を含む、船舶の製造方法。

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