JP6819432B2 - 溶接継手及び溶接継手の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接継手及び溶接継手の製造方法に関する。

近年、環境保護意識の高まりから、船舶の排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）や硫黄酸化物（ＳＯｘ）の国際規制が強化されている。このような国際規制への対応として、環境に優しいクリーンなＬＮＧ（液化天然ガス）を燃料としたＬＮＧ燃料船の需要が高まっている。例えば、特開２０１４−１６２４３０号公報には、液化ガスを燃料として航行する液化ガス燃料船の屋外曝露部に置かれるデッキ置きタンク構造が開示されている。

ＬＮＧ燃料船の燃料貯蔵タンクは、波浪、タンク内のＬＮＧのスロッシング、タンク内圧等によって作用力が変動するため、溶接部の疲労特性が要求される。

一般的な溶接継手の疲労特性の改善に関して、特開平１１−１０４８３８号公報には、溶接金属内の平均硬度Ａと溶接熱影響部粗粒域の最大硬度Ｂの差（Ａ−Ｂ）を２６以上３９以下とした、疲労特性に優れる溶接継手が開示されている。一方、ＬＮＧ燃料船の燃料貯蔵タンクは、ＬＮＧ温度における脆性破壊防止の観点から、溶接材料としてオーステナイト系７０％ニッケル合金等が用いられる。また、母材での脆性破壊を防止するため、溶接金属が母材よりも柔らかい軟質継手（アンダーマッチ継手）が用いられる。そのため、特開平１１−１０４８３８号公報に記載された構成を適用することはできない。

特開２０１１−２４５５２２号公報には、建築用８０〜１００キロ級鋼の溶接継手がアンダーマッチ継手となる場合に、溶接部に補強材を付加溶接することが記載されている。

特開２００８−２９０１２５号公報には、溶接止端の少なくとも一部に、曲率半径が１．０〜１０．０ｍｍ、鋼部材表面から厚さ方向の深さが１．０ｍｍ以下である打撃跡を形成することで、船舶の疲労特性を改善できることが記載されている。

特開２０１４−１６２４３０号公報 特開平１１−１０４８３８号公報 特開２０１１−２４５５２２号公報 特開２００８−２９０１２５号公報

矢島浩、他、「ＬＮＧタンカー用９％Ｎｉ鋼の継手破壊靱性とその評価」、日本造船学会論文集、第１３７号、１９７５年、３５０〜３５９頁 町田進、他、「破壊評価線図法に基づく９％Ｎｉ鋼の延性破壊強度評価」、溶接学会論文集、第１２巻、第３号、１９９４年、４３２〜４３９頁 西岡伸之、他、「９％Ｎｉ鋼のＬＮＧ地上式大容量貯蔵厚板構造への適用」、三菱重工技報、第３３巻、第４号、１９９６年、２３８〜２４１頁

特開２０１１−２４５５２２号公報の技術は、溶接継手の引張強度の改善を目標としており、疲労特性は考慮されていない。

特開２００８−２９０１２５号公報の技術は、疲労亀裂発生寿命を延ばすのには有効であるが、疲労亀裂進展寿命を直接改善するものではない。疲労亀裂進展寿命が長ければ、疲労亀裂が発生した場合でも、亀裂が貫通する前に補修することができる。そのため、疲労亀裂発生寿命だけではなく、疲労亀裂進展寿命も長くできることが好ましい。

本発明の目的は、溶接金属が母材よりも柔らかいアンダーマッチ継手の疲労亀裂進展寿命を延長することである。

本発明の一実施形態による溶接継手は、複数の開先面を有する第１の母材と、複数の開先面を有する第２の母材と、前記第１の母材及び前記第２の母材の前記複数の開先面を覆って形成された、前記第１の母材及び前記第２の母材の硬さよりも小さい硬さを有する溶接金属とを備える。前記第１の母材及び前記第２の母材の各々は、当該母材の表裏の面の一方に隣接する第１の開先面、及び当該母材の表裏の面の他方に隣接する第２の開先面を含み、前記第１の開先面及び前記第２の開先面は、当該母材の厚さ方向となす角度が４５°以上である。

本発明の一実施形態による溶接継手の製造方法は、各々が複数の開先面を有する第１の母材及び第２の母材を準備する工程と、前記第１の母材及び前記第２の母材の前記複数の開先面を覆って、前記第１の母材及び前記第２の母材の硬さよりも小さい硬さを有する溶接金属を形成する工程とを備える。前記第１の母材及び前記第２の母材の各々は、当該母材の表裏の面の一方に隣接する第１の開先面、及び当該母材の表裏の面の他方に隣接する第２の開先面を含み、前記第１の開先面及び前記第２の開先面は、当該母材の厚さ方向となす角度が４５°以上である。

本発明によれば、溶接金属が母材よりも柔らかいアンダーマッチ継手の疲労亀裂進展寿命を延長することができる。

図１は、実施形態による溶接継手の構成を示す斜視図である。 図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 図３Ａは、図２の溶接部の近傍を拡大して示す図である。 図３Ｂは、図２の溶接部の近傍を拡大して示す図である。 図４は、溶接継手の製造方法の一例を示すフロー図である。 図５は、比較例の溶接継手の構成を示す断面図である。 図６は、第１の実施形態による溶接継手の構成を示す断面図である。 図７は、溶接継手の変形例の構成を示す断面図である。 図８は、溶接継手の他の変形例の構成を示す断面図である。 図９は、図５とは別の比較例の溶接継手の構成を示す図である。 図１０は、図５とは別の比較例の溶接継手の構成を示す図である。 図１１は、図５とは別の比較例の溶接継手の構成を示す図である。 図１２は、第２の実施形態による溶接継手の構成を示す断面図である。 図１３は、第３の実施形態による溶接継手の構成を示す断面図である。 図１４は、溶接継手の製造方法の他の例を示すフロー図である。 図１５は、疲労試験の結果を示す散布図である。

本発明者らは、アンダーマッチ継手の疲労亀裂進展寿命について調査し、次の知見を得た。

母材よりも溶接金属が柔らかいアンダーマッチ継手では、溶接止端で発生した疲労亀裂が、柔らかい溶接金属に接しながらフュージョンラインに沿って進展する。フュージョンラインに沿った疲労亀裂の進展速度は、母材中を進展する疲労亀裂の進展速度よりも大きい。そのため、疲労亀裂がフュージョンラインに沿って進展すると、疲労亀裂進展寿命が短くなる。

本発明者らは、様々な溶接継手を制作して疲労試験を実施した。その結果、母材の表裏の面と隣接する開先面と母材の厚さ方向とがなす角度を４５°以上（開先角度にして９０°以上）にすることで、疲労亀裂の進展経路をフュージョンラインから母材に切り替えることができ、疲労亀裂進展寿命を延長できることがわかった。なお、高ニッケル鉄系材料のアンダーマッチ継手の突き合わせ溶接では、通常、開先角度は３０〜６０°である（非特許文献１〜３を参照）。

本発明は、上記の知見に基づいて完成された。以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態による溶接継手１の構成を示す斜視図である。溶接継手１は、母材１０及び２０と、これらを接続する溶接金属３０とを備えている。

溶接金属３０の硬さは、母材１０及び２０の硬さよりも小さい。すなわち、溶接継手１は、溶接金属が母材よりも柔らかいアンダーマッチ継手である。母材１０及び２０、並びに溶接金属３０は、溶接金属３０の硬さが母材１０及び２０の硬さよりも小さいという関係を満足していればよく、化学組成等は特に限定されない。

図１では、母材１０及び２０を平板形状に図示しているが、母材１０及び２０の形状は、これに限定されない。母材１０及び２０は、湾曲していてもよく、また、管状であってもよい。

溶接継手１はさらに、母材１０と溶接金属３０との溶接止端（境界線）上に、打撃跡４１及び４２を有している。打撃跡４１及び４２は、母材１０と溶接金属３０との溶接止端に沿って、ライン状に形成されている。溶接継手１はまた、母材２０と溶接金属３０との溶接止端（境界線）上に、打撃跡４３及び４４を有している。打撃跡４３及び４４は、母材２０と溶接金属３０との溶接止端に沿って、ライン状に形成されている。

以下、説明の便宜のため、母材１０の表裏の面のうち、打撃跡４１が形成された側の面を母材１０の表側の面、打撃跡４２が形成された側の面を母材１０の裏側の面という。同様に、母材２０の表裏の面のうち、打撃跡４３が形成された側の面を母材２０の表側の面、打撃跡４４が形成された側の面を母材２０の裏側の面という。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。溶接継手１は、Ｘ形と呼ばれる開先形状を有し、母材１０及び２０のそれぞれが複数の開先面を有している。具体的には、母材１０は、母材１０の表側の面に隣接する開先面１１と、開先面１１及び母材１０の裏側の面に隣接する開先面１２とを含んでいる。同様に、母材２０は、母材２０の表側の面に隣接する開先面２１と、開先面２１及び母材２０の裏側の面に隣接する開先面２２とを含んでいる。溶接金属３０は、これらの開先面を覆って形成されている。

本実施形態では、開先面１１が母材１０の厚さ方向（ｚ方向：以下、単に厚さ方向と呼ぶ。）となす角度φを４５°以上にする。角度φの下限は、より好ましくは５０°である。角度φの上限は、好ましくは７０°であり、さらに好ましくは６０°である。

図３Ａ及び図３Ｂは、図２の溶接部の近傍を拡大して示す図である。図３Ａ及び図３Ｂは断面図であるが、見やすくするためにハッチングを省略している。開先面１１は、厳密には図３Ａに示すように、溶接後は溶込みによって母材１０側に後退して接合面１１^＊になる。しかし、通常の溶接条件では、溶接前の開先面１１と溶接後の接合面１１^＊とはほぼ平行になる。したがって、接合面１１^＊が厚さ方向となす角度は、開先面１１が厚さ方向となす角度φとほぼ等しい。そのため、本明細書では開先面１１と接合面１１^＊とを区別しないものとする。

ただし、溶接の条件によっては図３Ｂに示す接合面１１^＊＊のように、溶接パスに対応した溶込みによって凹凸を有する場合がある。この場合、溶接線と垂直な断面において、母材１０側から接合面１１^＊＊に接する接線ＴＬと厚さ方向とがなす角度を、「開先面１１と厚さ方向とがなす角度」φと定義する。開先面１２、２１、及び２２が厚さ方向となす角度についても同様とする。

再び図２を参照して、説明を続ける。本実施形態では、開先面１１と開先面１２とが対称に形成されている。すなわち、開先面１２が厚さ方向となす角度は、開先面１１が厚さ方向となす角度φと等しい。本実施形態ではさらに、母材１０の開先面１１及び１２と、母材２０の開先面２１及び２２とが対称に形成されている。すなわち、開先面２１が厚さ方向となす角度は、開先面１１が厚さ方向となす角度φと等しい。また、開先面２２が厚さ方向となす角度は、開先面１２が厚さ方向となす角度と等しい。

すなわち、本実施形態では、開先面１１、１２、２１、及び２２の各々が厚さ方向となす角度が、すべて等しい。上述のとおり、開先面１１が厚さ方向となす角度φは、４５°以上である。したがって、開先面１１、１２、２１、２２の各々が厚さ方向となす角度は、いずれも４５°以上である。

なお、本実施形態のように母材１０の開先形状と母材２０の開先形状とが対称である場合、角度φは開先角度θの半分（θ／２）となる。

打撃跡４１〜４４の各々は、好ましくは、曲率半径Ｒが１０ｍｍ以下である。打撃跡４１〜４４の各々は、より好ましくは、曲率半径Ｒが２ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、深さＤが１．０ｍｍ以下である。なお、打撃跡４１〜４４の深さとは、当該打撃跡が形成された母材の表面（表側の面又は裏側の面）から当該打撃跡の最深部（母材の表面と垂直な方向において、当該表面から最も遠い位置）までの距離である。

曲率半径Ｒのより好ましい上限は、５ｍｍである。深さＤの下限は、上限とは独立して、好ましくは０．１ｍｍである。深さＤの上限は、下限と独立して、より好ましくは０．８ｍｍであり、さらに好ましくは０．６ｍｍである。

打撃跡４１〜４４の曲率半径Ｒ及び深さＤは、打撃跡４１〜４４を印象材で型取りし、当該印象材の断面を投影機で拡大して測定することができる。印象材の種類は特に限定しないが、液状又は粘土状の印象材を、打撃跡を含む溶接部に密着した状態で硬化させ、硬化後に型取り試料として剥離させる必要がある。硬化前に打撃跡に隙間無く密着させるための流動性や粘性が必要であり、また硬化後に形状を維持するための硬さも必要となるため、好ましくはシリコーン印象材を用いる。投影機で拡大された断面形状から精度の良い寸法Ｒ及びＤを得るためには、少なくとも５倍以上に拡大した投影像を用いる。

［溶接継手１の製造方法］
図４は、溶接継手１の製造方法の一例を示すフロー図である。この製造方法は、母材１０及び２０を準備する工程（ステップＳ１）と、溶接金属３０を形成する工程（ステップＳ２）と、打撃跡４１〜４４を形成する工程（ステップＳ３）とを備えている。

まず、上述した開先面１１及び１２を有する母材１０、並びに開先面２１及び２２を有する母材２０を準備する（ステップＳ１）。開先面１１、１２、２１、及び２２は例えば、機械加工によって形成することができる。

次に、開先面１１及び１２が形成された母材１０の端部と、開先面２１及び２２が形成された母材２０の端部とを突き合わせて、母材１０と母材２０とを溶接して溶接金属３０を形成する（ステップＳ２）。溶接方法は特に限定されないが、例えば、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接、サブマージアーク溶接、被覆アーク溶接等を用いることができる。溶接材料は、溶接金属の硬さを母材１０及び２０の硬さより小さくできるものであればよく、化学組成等は特に限定されない。なお、通常の溶接条件であれば、接合面が厚さ方向となす角度は、開先面が厚さ方向となす角度とほぼ同じになる。

溶接金属３０を形成した後、母材１０と溶接金属３０との溶接止端（境界線）、及び母材２０と溶接金属３０との溶接止端（境界線）をピーニングして、打撃跡４１〜４４を形成する（ステップＳ３）。ピーニングの方法は特に限定されないが、例えば、ＵＩＴ（Ultrasonic Impact Treatment；超音波衝撃処理）、ＵＰ（Ultrasonic Peening；超音波ピーニング)、ＵＰＴ（Ultrasonic Peening Treatment；超音波ピーニング処理）、ＨｉＦＩＴ（High Frequency Impact Treatment；高周波衝撃処理）、ＰＩＴ（Pneumatic Impact treatment；圧縮空気衝撃処理）、ＵＮＰ（Ultrasonic needle peening；超音波ニードルピーニング）、エアツールによるピーニングやハンマーピーニング等を用いることができる。高周波のピーニング、及び周波数の低いピーニングのいずれであってもよく、周波数の低いピーニングであっても、処理後の形状が高周波でのピーニングと同等であれば、高周波でのピーニングと同等の効果が得られる。

上述のとおり、打撃跡４１〜４４の各々は、曲率半径Ｒが１０ｍｍ以下であることが好ましい。また、曲率半径Ｒが２ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、深さＤが１．０ｍｍ以下であることがより好ましい。所望の曲率半径Ｒの打撃溝を設けるには、前記所望の先端部曲率半径を有する振動端子を用いてピーニングをすればよい。曲率半径Ｒを２〜１０ｍｍにする場合、先端部曲率半径が２〜１０ｍｍの振動端子を用いてピーニングをすればよい。曲率半径Ｒを２〜５ｍｍにする場合、先端部曲率半径が２〜５ｍｍの振動端子を用いてピーニングをすればよい。

以上の工程によって、溶接金属１が製造される。なお、この製造方法はあくまでも一例であり、溶接継手１の製造方法はこれに限定されない。

［溶接継手１の効果］
以下、図５及び図６を参照して、溶接継手１の効果を説明する。

図５は、比較例による溶接継手９の構成を示す断面図である。図５に示すように、母材よりも溶接金属が柔らかいアンダーマッチ継手では、溶接止端で発生した疲労亀裂が、柔らかい溶接金属に接しながらフュージョンラインに沿って進展する。フュージョンラインに沿った疲労亀裂の進展速度は、母材中を進展する疲労亀裂の進展速度よりも大きい。そのため、疲労亀裂がフュージョンラインに沿って進展すると、疲労亀裂進展寿命が短くなる。

本実施形態では、溶接止端に打撃跡４１〜４４を形成し、かつ、開先面１１、１２、２１、及び２２の各々が厚さ方向となす角度φを、４５°以上にする。これによって、図６に示すように、疲労亀裂の進展経路をフュージョンラインから母材に切り替え、溶接継手１の疲労亀裂進展寿命を延ばすことができる。

さらに、打撃跡４１〜４４の形状を適切に制御することによって、疲労亀裂発生寿命も延ばすことができる。具体的には、打撃跡４１〜４４の各々の曲率半径Ｒを１０ｍｍ以下とすることによって、疲労亀裂発生寿命を延ばすことができる。さらに、打撃跡４１〜４４の各々の曲率半径を２ｍｍ以上１０ｍｍ以下、深さＤを１．０ｍｍ以下とすることによって、疲労亀裂発生寿命をより延ばすことができる。これによって、溶接継手１の全体の疲労寿命をさらに延ばすことができる。

以上、本発明の第１の実施形態による溶接継手１の構成、製造方法、及び効果を説明した。本実施形態によれば、溶接継手の疲労亀裂進展寿命を延ばすことができる。

［溶接継手１の変形例］
図７は、溶接継手１の変形例の一つである溶接継手１Ａの構成を示す断面図である。溶接継手１Ａでは、母材１０及び２０の開先が、表側の面と裏側の面とで非対称に形成されている。具体的には、母材１０及び２０の表側の面に形成された開先面１１及び２１が厚さ方向となす角度はφ１であり、裏側の面に形成された開先面１２及び２２が厚さ方向となす角度はφ２である。開先面１１及び２１が厚さ方向となす角度φ１は、開先面１２及び２２が厚さ方向となす角度φ２よりも小さい。

この場合、小さいほうの角度φ１が４５°以上であれば、すべての溶接止端からの疲労亀裂の進展経路を母材にすることができる。

図８は、溶接継手１の変形例の一つである溶接継手１Ｂの構成を示す断面図である。溶接継手１Ｂでは、母材１０の開先と母材２０の開先とが、非対称に形成されている。具体的には、母材１０の開先面１１及び１２が厚さ方向となす角度はφ３であり、母材２０の開先面２１及び２２が厚さ方向となす角度はφ４である。開先面２１及び２２が厚さ方向となす角度φ４は、開先面１１及び１２が厚さ方向となす角度φ３よりも小さい。

この場合も、小さいほうの角度φ４が４５°以上であれば、すべての溶接止端からの疲労亀裂の進展経路を母材にすることができる。

以上のとおり、溶接継手１Ａ及び１Ｂの構成によっても、開先面の角度を適切に設定することによって、疲労亀裂の進展経路を母材にして、疲労亀裂進展寿命を延ばすことができる。図示は省略するが、開先面１１、１２、２１、及び２２の各々が厚さ方向となす角度が、すべて異なる場合も同様である。すなわち、開先面１１、１２、２１、及び２２の各々が厚さ方向となす角度のうち、最も小さい角度が４５°以上であれば、すべての溶接止端からの疲労亀裂の進展経路を母材にすることができる。換言すれば、開先面１１、１２、２１、及び２２の各々が厚さ方向となす角度が、いずれも４５°以上であれば、すべての溶接止端からの疲労亀裂の進展経路を母材にすることができる。

図９〜図１１は、仮想的な比較例である溶接継手９Ａ〜９Ｃの構成を示す断面図である。溶接継手の開先形状としては、溶接継手１（図２）のようなＸ形の他、溶接継手９Ａ（図９）のようなＫ形、溶接継手９Ｂ（図１０）のようなＶ形、溶接継手９Ｃ（図１１）のようなレ形がある。しかしこれらの開先形状ではいずれも、図中に矢印で示すように、母材の表面からほぼ垂直に延びるフュージョンラインが存在する。そのため、疲労亀裂の進展経路はフュージョンラインになり、疲労亀裂進展寿命を延ばすことはできない。

［第２の実施形態］
図１２は、本発明の第２の実施形態による溶接継手２の構成を示す断面図である。溶接継手２では、母材１０及び２０は、多段階に形成された開先面を有している。具体的には、母材１０は、開先面１１及び１２に加えて、開先面１１に隣接する開先面１３、及び開先面１２に隣接する開先面１４をさらに含んでいる。同様に、母材２０は、開先面２１及び２２に加えて、開先面２１に隣接する開先面２３、及び開先面２２に隣接する開先面２４をさらに含んでいる。開先面１１、１２、２１、及び２２が厚さ方向となす角度はφ５であり、開先面１３、１４、２３、及び２４が厚さ方向となす角度はφ６である。

溶接継手２のような開先形状であっても、母材１０及び２０の表裏の面と隣接する開先面である開先面１１、１２、２１、及び２２が厚さ方向となす角度φ５が４５°以上であれば、溶接止端で発生した疲労亀裂の初期の進展方向を母材にすることができる。これによって、その後の疲労亀裂の進展経路も母材にすることができ、疲労亀裂進展寿命を延ばすことができる。

疲労亀裂の初期の進展経路をフュージョンラインから十分に遠ざけるため、開先面１１の深さｄは、４ｍｍ以上であることが好ましい。ここで、開先面１１の深さｄは、母材１０の表側の面から、開先面１１と開先面１３とが接する位置までの、厚さ方向に沿った距離である。開先面１２、２１、及び２２についても同様である。

疲労亀裂進展寿命の観点では、開先面１３、１４、２３、及び２４が厚さ方向となす角度φ６の大きさは任意である。角度φ６は、４５°以上であってもよいし、４５°未満であってもよい。一方、製造コストの観点では、角度φ６を角度φ５よりも小さくすることが好ましい。角度φ６を角度φ５よりも小さくすれば、溶接金属３０の体積を小さくできる。

以上のとおり、溶接継手２の構成によっても、疲労亀裂の進展経路を母材にして、疲労亀裂進展寿命を延ばすことができる。

溶接継手２の場合も、開先面１１、１２、２１、及び２２の各々が厚さ方向となす角度が、一部又は全部異なっていてもよい。開先面１１、１２、２１、及び２２の各々が厚さ方向となす角度が、いずれも４５°以上であれば、すべての溶接止端からの疲労亀裂の進展経路を母材にすることができる。

溶接継手２では、母材１０及び２０が、それぞれ４つの開先面を有している場合を説明した。しかし、母材１０及び母材２０の開先面の数は、３つであってもよいし、５つ以上であってもよい。また、母材１０の開先面の数と母材２０の開先面の数とが異なっていてもよい。

［第３の実施形態］
図１３は、本発明の第３の実施形態による溶接継手３の構成を示す断面図である。溶接継手３は、溶接継手１（図２）の溶接金属３０に代えて、溶接金属５０を備えている。溶接金属５０は、表面が母材１０及び２０の表裏の面と同一面上に形成されている。

溶接金属３においても、母材１０の開先面１１及び１２、母材２０の開先面２１及び２２が厚さ方向となす角度φが、４５°以上である。

図１４は、溶接継手３の製造方法の一例を示すフロー図である。この製造方法は、図４の製造方法における打撃跡を形成する工程（ステップＳ３）の前に、溶接金属を研削する工程（ステップＳ４）を備えている。すなわち、この製造方法では、溶接金属を形成した後、溶接金属の余盛りをグラインダー等で研削して除去する。

溶接金属の余盛りを除去することで、形状に起因する応力集中を緩和することができる。

溶接継手３のように溶接金属の余盛りを除去した場合であっても、疲労亀裂の進展経路を母材にして、疲労亀裂進展寿命を延ばすことが有効である。溶接継手３の構成によれば、開先面１１、１２、２１、及び２２が厚さ方向となす角度φが４５°以上である。この構成によって、疲労亀裂の進展経路を母材にすることができる。

溶接継手３の場合も、開先面１１、１２、２１、及び２２の各々が厚さ方向となす角度が、一部又は全部異なっていてもよい。開先面１１、１２、２１、及び２２の各々が厚さ方向となす角度が、いずれも４５°以上であれば、すべての溶接止端からの疲労亀裂の進展経路を母材にすることができる。また、溶接継手２のように、母材１０及び２０が、多段階に形成された開先面を有していてもよい。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。

板厚２０ｍｍの鋼板（ＪＩＳ規格Ｇ３１２７に準拠するＳＬ７Ｎ５９０及びＳＬ９Ｎ５９０）に様々な形状の開先を形成し、突き合わせ溶接継手を製作した。溶接方法は被覆アーク溶接とし、オーステナイト系７０％ニッケル溶接材料（ＪＩＳ規格Ｚ３２２５に準拠するＤ９Ｎｉ−１）からなる直径４ｍｍの溶接棒を使用し、電圧２５Ｖ、電流１３０Ａ、入熱１１〜１８ｋＪ／ｃｍの多層盛りとした。一部の溶接継手では、グラインダーを用いて余盛りを平滑に研削し、母材の表裏の面と余盛り研削面とを概略同一平面上とした。

各溶接継手から、試験片の長手方向が溶接線とほぼ直行するように、評価部の長さが８０ｍｍ、評価部の幅が５０ｍｍ、掴み部の幅が８０ｍｍ、長手方向の全長が５００ｍｍの板状の疲労試験片を採取した。試験片は、評価部の中央が突き合わせ溶接部となるようにした。

各試験片の母材と溶接金属との境界線上に、ＵＩＴによるピーニングを施した。振動周波数は２７ｋＨｚ、仕事率は１ｋＷとした。振動端子の先端形状を変えて、複数水準の曲率半径の打撃跡を形成した。打撃跡の曲率半径及び深さは、印象材で型取りして測定した。

疲労試験は、油圧サーボ疲労試験機を用いて、室温・大気中で軸力制御の疲労試験を行った。波形は正弦波、周波数１０Ｈｚ、公称応力範囲２００ＭＰａ、応力比０．１とし、試験片が破断・分離するまでの疲労寿命Ｎ_ｆを評価した。疲労試験終了、疲労亀裂進展経路を目視で確認した。

結果を表１及び図１５に示す。

実施例１〜９の溶接継手は、母材の表裏の面と隣接する開先面が厚さ方向となす角度φが４５°以上であった。実施例１〜９の溶接継手の疲労亀裂進展経路は、いずれも母材であった。

実施例１〜５及び８の溶接継手は、母材と溶接金属との境界線上に曲率半径が１０ｍｍ以下である打撃跡が形成され、かつ、母材の表裏の面と隣接する開先面が厚さ方向となす角度φが４５°以上であった。これらの実施例（実施例１〜５及び８）の溶接継手は、良好な疲労寿命を示した。さらに、実施例１〜５の溶接継手は、母材と溶接金属との境界線上に曲率半径が２ｍｍ以上１０ｍｍ以下、深さが１．０ｍｍ以下である打撃跡が形成されており、５×１０^６サイクル後も破断せず、良好な疲労寿命を示した。

実施例６及び７の溶接継手は、疲労寿命は比較例と同等であるが、疲労亀裂進展経路が母材である。よって、母材が疲労特性に優れる鋼材であれば、同等のピーニングが施された溶接継手よりも良好な疲労寿命を示すことができる。

比較例１０〜１５の溶接継手では、いずれもフュージョンラインに沿って疲労亀裂が進展していた。これは、角度φが小さすぎたためと考えられる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示にすぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。

本発明によれば、溶接金属が母材よりも柔らかいアンダーマッチ継手の疲労亀裂進展寿命を延ばすことができる。本発明による溶接継手は、例えば、船舶に搭載するＬＮＧタンク用の溶接継手として好適に用いることができる。本発明による溶接継手は、ＬＮＧ燃料船の燃料貯蔵タンク用の溶接継手として、特に好適に用いることができる

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，２，３，９，９Ａ，９Ｂ，９Ｃ 溶接継手
１０，２０ 母材
１１，１２，１３，１４，２１，２２，２３，２４ 開先面
３０，５０ 溶接金属
４１，４２，４３，４４ 打撃跡

Claims (10)

1. 複数の開先面を有する第１の母材と、
   複数の開先面を有する第２の母材と、
   前記第１の母材及び前記第２の母材の前記複数の開先面を覆って形成された、前記第１の母材及び前記第２の母材の硬さよりも小さい硬さを有する溶接金属とを備え、
   前記第１の母材及び前記第２の母材の各々は、当該母材の表裏の面の一方に隣接する第１の開先面、及び当該母材の表裏の面の他方に隣接する第２の開先面を含み、前記第１の開先面及び前記第２の開先面は、当該母材の厚さ方向となす角度が４５°以上である、溶接継手。
2. 請求項１に記載の溶接継手であって、
   前記第１の母材と前記溶接金属との境界線上、及び前記第２の母材と前記溶接金属との境界線上に打撃跡を有し、
   前記打撃跡の各々は、曲率半径が１０ｍｍ以下である、溶接継手。
3. 請求項１又は２に記載の溶接継手であって、
   前記溶接金属は、表面が前記第１の母材及び前記第２の母材の表裏の面と同一面上に形成されている、溶接継手。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の溶接継手であって、
   前記第１の母材及び前記第２の母材の少なくとも一方は、前記第１の開先面又は前記第２の開先面に隣接した第３の開先面をさらに含む、溶接継手。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の溶接継手であって、
   前記第１の母材及び前記第２の母材の各々は、前記第１の開先面と前記第２の開先面とが隣接している、溶接継手。
6. 各々が複数の開先面を有する第１の母材及び第２の母材を準備する工程と、
   前記第１の母材及び前記第２の母材の前記複数の開先面を覆って、前記第１の母材及び前記第２の母材の硬さよりも小さい硬さを有する溶接金属を形成する工程とを備え、
   前記第１の母材及び前記第２の母材の各々は、当該母材の表裏の面の一方に隣接する第１の開先面、及び当該母材の表裏の面の他方に隣接する第２の開先面を含み、前記第１の開先面及び前記第２の開先面は、当該母材の厚さ方向となす角度が４５°以上である、溶接継手の製造方法。
7. 請求項６に記載の溶接継手の製造方法であって、
   前記第１の母材と前記溶接金属との境界線上、及び前記第２の母材と前記溶接金属との境界線上に打撃跡を形成する工程をさらに備え、
   前記打撃跡を形成する工程は、曲率半径が１０ｍｍ以下の振動端子を使用してピーニングする、溶接継手の製造方法。
8. 請求項６又は７に記載の溶接継手の製造方法であって、
   前記溶接金属を研削して、表面が前記第１の母材及び前記第２の母材の表裏の面と同一面上なるようにする工程をさらに備える、溶接継手の製造方法。
9. 請求項６〜８のいずれか一項に記載の溶接継手の製造方法であって、
   前記第１の母材及び前記第２の母材の少なくとも一方は、前記第１の開先面又は前記第２の開先面に隣接した第３の開先面をさらに含む、溶接継手の製造方法。
10. 請求項６〜８のいずれか一項に記載の溶接継手の製造方法であって、
    前記第１の母材及び前記第２の母材の各々は、前記第１の開先面と前記第２の開先面とが隣接している、溶接継手の製造法方法。

Images