WO2017130830A1 - 溶接接合部およびその製造方法 - Google Patents

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下川　弘海
高一 伊藤
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Ｊｆｅスチール株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K37/06—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups for positioning the molten material, e.g. confining it to a desired area

Definitions

  • the present invention relates to welded joints. More specifically, it relates to a welded joint of a steel structure.
  • Patent Documents 2 and 3 below have been proposed for fillet welding.
  • An object of the present invention is to provide a welded joint that can secure the welded joint strength even when the tensile strength of the weld metal is lower than the tensile strength of the steel (undermatch) and can prevent brittle fracture.
  • weld metal has sufficient strength even if it has a lower tensile strength than steel, 2) stress / strain concentration at the toe of the reinforcing bead can be reduced, and 3) for ultra-high strength steel
  • the construction conditions can be relaxed (reducing residual heat in the case of overmatch welding, enabling large heat input welding to simplify the welding process), and ensuring joint strength.
  • the present inventors have further studied based on the above knowledge and completed the present invention.
  • the gist of the present invention is as follows.
  • Both steel materials and their joints are provided with weld metal, and at least one surface is a weld joint having an overlay on the surfaces of both steel materials, and is built up on the surfaces of the steel materials.
  • the width of each reinforcing bead, which is a surplus, is equal to or greater than the surplus thickness of the steel surface end
  • the flank angle ⁇ of each reinforcing bead toe is 145 ° to 170 °
  • the tensile strength of the weld metal is A welded joint that is smaller than the tensile strength of the steel and satisfies the condition of the following formula (1).
  • Equation (1) a is the maximum thickness (mm) of the surplus, t is the thickness (mm) of the steel material, ⁇ uw is the tensile strength (MPa) of the weld metal, and ⁇ is the safety factor (no unit).
  • the value defined by 1.01-1.20 T sl is the tensile strength (MPa) of the steel material.
  • d is 0 or more, and when both surfaces have extras, it is the maximum thickness (mm) of other extras.
  • a concave backing metal having a concave portion on a surface opposite to the surface including the surplus is provided, and d in the formula (1) is a filling depth (mm) in the concave backing metal.
  • a backing metal is provided on the surface opposite to the surface provided with the surplus, the backing metal has a penetration portion, and d in the formula (1) is a penetration depth (mm The weld joint according to [1] or [2].
  • a welded joint that secures weld joint strength at an undermatch weld joint using a high-strength steel material, can prevent brittle fracture, and can relax welding conditions.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the dimensions and the like of the weld joint.
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the dimensions and the like of the weld joint.
  • FIG. 4 is a drawing showing the relationship between the flank angle of the reinforcing bead toe and the stress concentration factor.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating one embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating one embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is an example of a two-dimensional plane strain element model.
  • FIG. 9 is a schematic diagram for explaining a gauge for examining a flank angle.
  • the present invention is an undermatched weld joint in which the tensile strength of the weld metal is smaller than the tensile strength of the steel material.
  • the present invention can also be applied to high-strength steel materials that have been difficult to apply in the past, and can also be applied to materials having a large difference in tensile strength between steel materials and weld metals.
  • the steel material can be preferably applied to a steel material having a high tensile strength of 600 to 900 MPa, and the steel material preferably has a tensile strength of 600 to 800 MPa.
  • the tensile strength of the weld metal is, for example, 550 MPa or more, and the upper limit is, for example, 800 MPa. From the viewpoint of welding workability and the like, the tensile strength of the weld metal is practically, for example, 550 to 700 MPa. Moreover, in this invention, the tensile strength difference of steel materials and a weld metal can also be over 200 MPa. Of course, the present invention can be applied to a steel material and a weld metal having a tensile strength difference of 200 MPa or less. The difference in tensile strength between the steel material and the weld metal is preferably 250 MPa or less.
  • the tensile strength of steel materials is calculated
  • the tensile strength of the weld metal is determined according to the JIS Z 2241 metal material tensile test method using JIS Z 3111 A0 test piece, A1 test piece or A2 test piece.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a welded joint in butt welding, and is a schematic diagram illustrating an embodiment of the present invention.
  • the weld joint of the present invention is based on butt welding, and is based on complete penetration welding in which the entire thickness of the base material (steel material) is melted.
  • the weld joint shown in FIG. 1 has a substantially symmetrical shape on the left and right. In the following description of the present invention, the illustration of the weld heat affected zone is omitted.
  • the welded joint (welded joint) 1 includes both steel materials 4 and weld metal 3 at their joints, that is, the welded joint (welded joint) 1 includes weld metal 3 and steel materials 4 on both sides thereof.
  • a region having a width represented by a dotted line (between the weld metal 3 side closest to the steel material 4) is the center portion 2 in the width direction.
  • Such welding joints can be obtained by performing welding in a state in which the backing metal 6 is provided at the root gap portion between the steel materials 4.
  • the “back metal” is a flat plate (for example, flat steel) that does not have a recess on the surface of the steel material to be welded before welding, and a shape that has a recess as shown in FIG. become.
  • the upper surface of FIG. 1 has a surplus of the maximum thickness a, and is provided with a surplus (reinforcement bead 5) that is also built up on the surfaces of both steel materials 4.
  • the extra thickness at the end of the steel surface is indicated by a double arrow 9.
  • the width of the reinforcing bead is from the steel surface end to the weld toe 8.
  • the flank angle of the weld toe 8 is indicated by ⁇
  • the bevel angle of the groove in the steel material 4 is indicated by ⁇ .
  • a backing metal 6 is provided on the surface opposite to the surface provided with the surplus, and the backing metal has a penetration portion 7 having a depth d.
  • the horizontal axis is X
  • X 1 is the distal end position of the groove
  • X 2 is steel surface and edge position
  • X 3 is a reinforcing bead toe position.
  • “a” is the maximum thickness of the surplus, and it is preferable that the surplus is the maximum thickness on the center portion 2 in the width direction (just above the center portion 2 in the width direction).
  • the welded joint portion of the present invention satisfies the condition of the following formula (1).
  • variety of each reinforcement bead is more than the extra thickness of the steel material surface edge part.
  • Equation (1) a is the maximum thickness (mm) of the surplus, t is the thickness (mm) of the steel material, ⁇ uw is the tensile strength (MPa) of the weld metal, and ⁇ is the safety factor (no unit).
  • T sl is the tensile strength (MPa) of the steel material.
  • d is 0 or more, and when both surfaces have extras, it is the maximum thickness (mm) of other extras. That is, d is the maximum thickness (mm) of the backside reinforcement of the steel material (in the case where a backing metal is provided on the backside, the depth of penetration of the backing metal), and 0 if there is no backfilling on the backside. .
  • ⁇ is a safety factor (no unit) and is preferably a value determined by 1.03 to 1.20.
  • the effect of the present invention that is, the weld joint strength at the undermatch weld joint using the high-strength steel material is secured, and brittle fracture is prevented. It is possible to more reliably exhibit the effect of providing a welded joint that can relax welding conditions.
  • excess metal thickness at X 2 position is weld reinforcement thickness of the steel material surface and edge.
  • Groove portion excess Sheng a x at an arbitrary position between X 1 ⁇ X 2 in FIG. 2 satisfies is preferably the following formula (2).
  • t is the thickness of the steel (mm)
  • t x is the thickness of the steel material of the groove portion (mm)
  • alpha is met safety factor (unitless)
  • T sl is the tensile strength (MPa) of the steel material.
  • ⁇ is a safety factor (no unit) and is preferably a value determined by 1.03 to 1.20.
  • X 3 -X 2 is the width (mm) of the reinforcing bead.
  • the width of the reinforcing bead preferably satisfies the condition of the following formula (3).
  • a x2 is the extra thickness (mm) of the steel material surface end, and ⁇ is the flank angle.
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the dimensions and the like of the welded joint, and in the embodiment of the present invention, the height of the surplus height (thickness) at a plurality of plate thicknesses and the distance from the center of the center in the width direction It is a graph showing the relationship.
  • the conditions are as follows. Note that the graph of FIG. 3 was obtained by the formulas (1) to (3) under the following conditions.
  • the maximum value of the extra height is preferably 7.0 to 20.0 mm, and more preferably 15 to 20 mm.
  • the excess metal thicknesses a x2 of the steel surface end from the viewpoint of preventing breakage of the reinforcing bead toe portion is preferably 2.5 ⁇ 10 mm, and more preferably in the 5 mm ⁇ 10 mm.
  • the width X 3 -X 2 reinforcing beads from the viewpoint of stress concentration relieving reinforcing bead toe portion is preferably set to 5.0 mm ⁇ 50 mm.
  • the thickness t of the steel material is preferably 12 to 80 mm, and more preferably 12 to 60 mm.
  • the width direction distance (root gap) of the center portion in the width direction is preferably set to 3.0 mm to 10.0 mm.
  • flank angle is determined by a radius gauge.
  • the flank angle is an angle ⁇ between the tangent line of the reinforcing bead 5 at the reinforcing bead toe 8 and the surface of the steel material 4.
  • the flank angle and stress concentration factor (how many times the average stress acting on the welded joint member is generated) of the reinforcing bead toe are analyzed in the FEM elastic-plastic analysis. And examined.
  • the model was a two-dimensional plane strain element model and analyzed by changing the flank angle from 180 ° to 140 °.
  • FIG. 8 is an example of an element model. Further, as an example of the analysis result, the result in the case of a steel plate thickness of 32 mm, a steel material strength of 780 MPa, and a weld metal strength of 700 MPa is shown in FIG.
  • the flank angle ⁇ is set so that the stress concentration factor is 2.5 or less, in view of a little safety.
  • the flank angle ⁇ is 145 ° or more in order to reduce stress / strain concentration at the toe end of the reinforcing bead and prevent brittle fracture.
  • the flank angle ⁇ is 170 ° or less.
  • the flank angle is preferably 145 ° to 160 °.
  • each steel material 4 has a groove on one side.
  • the bevel angle ⁇ is preferably 15 ° to 35 °.
  • the lower surface is provided with a backing metal 6, and the backing metal 6 has a penetration portion 7 having a depth d from the viewpoint of making the steel material break before the welded portion. is doing.
  • the depth d is preferably 2 mm or more, and more preferably 3 mm or more.
  • the steel material strength is 780 MPa or more, or when the steel material thickness (t) is 19 mm to 40 mm, the depth d is set to 5 mm to 10 mm from the viewpoint of avoiding excessive surplus with respect to the plate thickness (depth). More preferred is a melted part).
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a modification of the embodiment shown in FIG.
  • the upper and lower sides of the steel material are provided with extras and each surface has the same configuration as the embodiment based on FIG. 1 described above.
  • d is not the penetration depth at the penetration portion, but the height (mm) of the overfill. That is, in the above formula (1), the extra heights on the upper and lower surfaces are a and d, respectively.
  • extra reinforcement may be provided on both the upper and lower sides of the steel material.
  • FIG. 6 is a schematic diagram for explaining an embodiment of the present invention.
  • a concave backing metal 6 having a concave portion is used.
  • the recessed part should just be located on the center part 2 of the width direction.
  • Within the recess is a weld metal fill 10.
  • the depth d of the concave portion (filling portion 10) is not particularly limited, and is preferably 5 mm to 10 mm. It should be noted that the depth (filling depth) d of the filling portion 10 and the depth d of the penetration portion are common in that they are provided from the viewpoint of causing the steel material to break before the welded portion.
  • the embodiment shown in FIG. 6 is preferably applied from the viewpoint of weldability when the steel material strength is 780 MPa or more, or when the steel material thickness (t) is 40 mm to 80 mm.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating one embodiment of the present invention.
  • the thickness of each steel material 4 is different, and one steel material 4 is a ladle groove not provided with a groove. Even in this case, the reinforcing beads 5 are provided on both sides.
  • the surplus thickness a 0 at the surface end of the left steel material is the surplus thickness a X2 at the surface end of the right steel material (thin steel material), and the thicknesses t 1 and t 2 of both steel materials (the thinner one)
  • the width (mm) of the reinforcing bead 5 is equal to or greater than the thickness of the steel material surface end.
  • the bevel angle ⁇ of the other steel material is preferably 25 ° to 35 ° from the viewpoint of weldability.
  • the extra thickness at the central portion 2 in the width direction is not uniquely determined.
  • the surplus thickness in the width direction center portion 2 is equal to or greater than the surplus thickness a 0
  • the surplus thickness in the width direction center portion 2 is If the surplus thickness a X2 or more, it can be determined that “the surplus is maximum on the central portion 2 in the width direction”.
  • the thinner plate thickness is adopted.
  • steel materials can be appropriately selected and used.
  • a combination of steel materials a combination of a steel plate and a steel plate, a flange of H-shaped steel and a steel plate can be used.
  • the manufacturing method of the welded joint of the present invention is not particularly limited.
  • it can be manufactured by the method for manufacturing a welded joint according to the present invention, in which a weld metal is formed in the root gap of both steel materials, and at least one surface is formed with a buildup on the surfaces of both steel materials.
  • it is preferable to perform welding by providing a backing metal or a concave backing metal in the root gap.
  • it can be formed by submerged arc welding.
  • the weld joint may be formed by one pass at a heat input of 50 to 200 kJ / cm, or the weld joint may be formed by a plurality of passes of two or more at a heat input of 10 to 40 kJ / cm. .
  • FIG. 8 is a schematic diagram for explaining a gauge for examining a flank angle. For example, by using a gauge having an angle Z of 145 ° and a gauge having an angle Z of 170 °, the flank angle ⁇ is 145 ° to 170 °. It can be easily determined whether or not it is within the range.
  • the groove and welding conditions are as follows.
  • the specimen manufactured according to the present invention that is, the width of the reinforcing bead is equal to or greater than the extra thickness of the steel surface end, and the flank angle of the reinforcing bead toe is not less than 145 ° and not more than 170 °.
  • the tensile strength of the weld metal is smaller than the tensile strength of each steel material, and the conditions of the above formula (1) are satisfied.
  • No. 1 specimen and No. 1 No. 1 with safety factor ⁇ slightly lower than 1 specimen. In the two specimens, it was confirmed that the base material (steel material) was preceded by breakage even when the weld metal strength was weak. On the other hand, no. In the three specimens, the weld metal breakage preceded. From the test results, the effect of the present invention was confirmed.

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Abstract

溶接金属（３）の引張強度が鋼材（４，４）の引張強度より低い場合（アンダーマッチ）でも溶接接合部（１）の強度を確保し、脆性的な破断を防止できる溶接接合部（１）を提供する。両鋼材（４，４）とその溶接接合部（１）に溶接金属（３）を備え、かつ、少なくとも一方の面は前記両鋼材（４，４）の表面に肉盛りした余盛を備える溶接接合部（１）であって、前記鋼材（４，４）の表面に肉盛りした余盛である各補強ビード（５）の幅が鋼材表面端部の余盛厚さ（９）以上であり、各補強ビード止端部（８）のフランク角（θ）が１４５°以上１７０°以下であり、前記溶接金属（３）の引張強度が前記各鋼材（４，４）の引張強度より小さく、請求項１中の式（１）の条件を満たす。

Description

溶接接合部およびその製造方法
　本発明は、溶接接合部に関わる。より具体的には、鉄骨構造の溶接接合部に関わる。
　鋼材どうしを溶接接合した溶接接合部において、溶接金属の引張強度が鋼材の引張強度規格下限値を上回るような溶接施工を行った継手（溶接接合部）とするのが一般的である（オーバーマッチ）。これは、溶接部の溶接金属の引張強度を溶接される鋼材より強くすることで、溶接部での早期破断を防止し、所定の設計強度を十分満足させるためである。このような発明として、下記特許文献１の発明が提案されている。
　近年、高強度鋼材が開発され使用されるようになっている。高強度鋼材を使用し、該鋼材の引張強度に対してオーバーマッチとなるような溶接施工を行うには、溶接条件の管理が難しく、施工効率も著しく低下する。また、引張強度７８０ＭＰａ以上といった超高強度鋼材に対しては、安心して使える溶接材料が乏しく、その入手も困難なのが現状である。
　高強度鋼材を使用した場合のこれらの問題に関し、隅肉溶接では、下記特許文献２、３の発明が提案されている。
特許第３７５２６１６号公報 特開２０１３－１３９０４７号公報 特開２０１４－８５１５号公報
　しかし、特許文献２、３に記載の発明では、形状的に補強盛溶接金属の止端部に応力集中が発生しやすいため引張応力が作用した場合に脆性的な破断が発生する可能性が高いという問題がある。
　なお、高強度鋼材の溶接部では、低入熱での溶接施工により溶け込み量が小さくなりやすい。また、特許文献２のような補強盛溶接金属がガスシールドアーク溶接にて１溶接ビードで形成される場合には前記止端部近傍の母材熱影響部の靱性低下が生じる等の問題も発生し、溶接部での早期脆性的破断が懸念される。
　本発明は、溶接金属の引張強度が鋼材の引張強度より低い場合（アンダーマッチ）でも溶接接合部強度を確保し、脆性的な破断を防止できる溶接接合部を提供することを目的とする。
　本発明は、前記問題を解決するために、１）溶接部よりも鋼材での破断が先行するように溶接部強度（＝余盛と鋼材板厚と裏面溶け込み深さ等の総厚さ×溶接金属強度）が鋼材強度（＝板厚×鋼材応力）を上回るような余盛を設ける、２）鋼材破断がより確実に先行するように所定の幅の補強ビードを鋼材表面に設ける、３）補強ビード止端部での脆性的破断を防止するため前記補強ビード止端部のフランク角が所定の値である、等の工夫をしたものである。
　上記工夫により、１）溶接金属は鋼材より低引張強度であっても、十分な強度となる、２）補強ビード止端部の応力・ひずみ集中を低減できる、３）超高強度鋼材に対しても施工条件を緩和（オーバーマッチ溶接の場合の余熱を低減する、大入熱溶接を可能として溶接工程を簡略化する）し継手耐力を確保できる、等の効果が得られる。
　本発明者らは以上の知見に基づいて更に検討を重ねて本発明を完成した。本発明の要旨は以下のとおりである。
　［１］両鋼材とそれらの接合部に溶接金属を備え、かつ、少なくとも一方の面は前記両鋼材の表面に肉盛りした余盛を備える溶接接合部であって、前記鋼材の表面に肉盛りした余盛である各補強ビードの幅が鋼材表面端部の余盛厚さ以上であり、各補強ビード止端部のフランク角θが１４５°～１７０°であり、前記溶接金属の引張強度が前記各鋼材の引張強度より小さく、下記式（１）の条件を満たす、溶接接合部。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
式（１）において、ａは余盛の最大厚さ（ｍｍ）、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）、σｕｗは溶接金属の引張強度（ＭＰａ）、αは安全率（単位なし）であって１．０１～１．２０により定める値、Ｔｓｌは鋼材の引張強度（ＭＰａ）である。ｄは０以上であって、両表面に余盛がある場合は他の余盛の最大厚さ（ｍｍ）である。
　［２］αは安全率（単位なし）であって１．０３～１．２０により定める値である、［１］に記載の溶接接合部。
　［３］前記余盛を備える面とは反対側の面において凹部を有する凹型裏当金を備え、前記式（１）におけるｄが該凹型裏当金における充填深さ（ｍｍ）である、［１］または［２］に記載の溶接接合部。
　［４］前記余盛を備える面とは反対側の面において裏当金を備え、該裏当金が溶け込み部を有し、前記式（１）におけるｄが該溶け込み部における溶け込み深さ（ｍｍ）である、［１］または［２］に記載の溶接接合部。
　［５］前記鋼材の少なくとも一方はベベル角度φが１５°～３５°の開先を有する［１］～［４］のいずれかに記載の溶接接合部。
　［６］［１］～［５］のいずれかに記載の溶接接合部の製造方法であって、両鋼材のルートギャップに溶接金属を形成し、さらに少なくとも一方の面は前記両鋼材の表面に肉盛りした余盛を形成する、溶接接合部の製造方法。
　［７］前記ルートギャップに裏当金又は凹型裏当金を備えて溶接を行う、［６］に記載の溶接接合部の製造方法。
　本発明により、高強度鋼材を使用したアンダーマッチ溶接接合部での溶接接合部強度を確保し、脆性的な破断が防止でき、溶接施工条件の緩和が可能な溶接接合部を提供できる。
図１は、本発明の一実施形態を説明する概略図である。 図２は、溶接接合部の寸法等を説明する概略図である。 図３は、溶接接合部の寸法等を説明する概略図である。 図４は、補強ビード止端部のフランク角と応力集中係数の関係を示す図面である。 図５は、本発明の一実施形態を説明する概略図である。 図６は、本発明の一実施形態を説明する概略図である。 図７は、本発明の一実施形態を説明する概略図である。 図８は、２次元平面ひずみ要素モデルの一例である。 図９は、フランク角を調べるゲージを説明する概略図である。
　以下、本発明について詳細に説明する。本発明は、溶接金属の引張強度が鋼材の引張強度よりも小さい、アンダーマッチの溶接接合部である。本発明は、従来適用し難かった高強度の鋼材にも適用することができ、さらには、鋼材と溶接金属の引張強度差が大きいものについても適用することができる。具体的には、本発明においては、鋼材の引張強度が、６００～９００ＭＰａの高強度のものに好ましく適用可能であり、鋼材の引張強度はさらに好ましくは６００～８００ＭＰａである。また、溶接金属の引張強度は、例えば５５０ＭＰａ以上であり、また、上限は例えば８００ＭＰａである。溶接施工性の観点等から、溶接金属の引張強度は、現実的には例えば５５０～７００ＭＰａである。また、本発明においては、鋼材と溶接金属の引張強度差を２００ＭＰａ超とすることもできる。勿論、鋼材と溶接金属の引張強度差が２００ＭＰａ以下のものに適用することもできる。鋼材と溶接金属の引張強度差は、好ましくは２５０ＭＰａ以下である。なお、本発明において、鋼材の引張強度はＪＩＳ　Ｚ　２２４１金属材料引張試験方法に従い求める。溶接金属の引張強度は、ＪＩＳ　Ｚ　３１１１　Ａ０号試験片、Ａ１号試験片またはＡ２号試験片を用い、ＪＩＳ　Ｚ　２２４１金属材料引張試験方法に従い求める。
　図１は、突合せ溶接における溶接接合部の断面概略図であり、本発明の一実施形態を説明する概略図である。図１に示すように、本発明の溶接接合部は、突合せ溶接によるものであって、母材（鋼材）の全厚にわたって溶け込ませる完全溶け込み溶接によるものである。図１に示された溶接接合部は左右でほぼ対称の形状を有している。以下、本発明の説明では溶接熱影響部の図示は省略してある。
　溶接接合部（溶接継手）１は、両鋼材４とそれらの接合部に溶接金属３を備える、すなわち、溶接接合部（溶接継手）１は、溶接金属３とその両側の鋼材４を備える。溶接金属３において、点線であらわされた幅（鋼材４の最も溶接金属部３側どうしの間）の領域は幅方向中心部２である。鋼材４どうしのルートギャプ部に裏当金６を備えた状態で溶接を行うことで、このような溶接接合部を得ることができる。なお、「裏当金」は、溶接前は溶接される鋼材側の表面に凹部を有さない平板（例えば平鋼）であり、溶接によって一部が溶けて図１のように凹部を有する形状になる。
　図１上側の面は、最大厚さａの余盛を有し、両鋼材４の表面にも肉盛りした余盛（補強ビード５）を備えている。鋼材表面端部の余盛厚さは両矢印９で示してある。また、鋼材表面端部から溶接止端部８までが補強ビードの幅である。溶接止端部８のフランク角はθ、鋼材４における開先部のベベル角度はφで示した。余盛を備える面とは反対側の面には裏当金６が備えられ、該裏当金は深さｄの溶け込み部７を有する。
　図２により、幅方向中心部２上の余盛、鋼材表面端部の余盛、補強ビード幅について、好ましい実施形態を更に説明する。図２では、横軸をＸとし、幅方向中心部２の中央がＸ＝０である。Ｘ１は開先の先端位置、Ｘ２は鋼材表面端部位置、Ｘ３は補強ビード止端部位置である。
　図２におけるａは余盛の最大厚さであり、幅方向中心部２上（幅方向中心部２真上）において余盛が最大厚さとなることが好ましい。なお、溶接部よりも鋼材での破断を先行させる観点から、本発明の溶接接合部は下記式（１）の条件を満たす。また、各補強ビードの幅が鋼材表面端部の余盛厚さ以上としてある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
式（１）において、ａは余盛の最大厚さ（ｍｍ）、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）、σｕｗは溶接金属の引張強度（ＭＰａ）、αは安全率（単位なし）であって１．０１～１．２０により定める値、Ｔｓｌは鋼材の引張強度（ＭＰａ）である。ｄは０以上であって、両表面に余盛がある場合は他の余盛の最大厚さ（ｍｍ）である。すなわち、ｄは鋼材の裏面の余盛の最大厚さ（ｍｍ）（裏面に裏当金を設ける場合は、裏当金の溶け込み深さ）であり、裏面に余盛が無い場合は０である。図１においては、ｄは溶け込み部における溶け込み深さ（ｍｍ）である。なお、裏当金を備えない、裏当金において溶け込み部が無い場合は、ｄ＝０としてよい。また、式（１）において、αは安全率（単位なし）であって１．０３～１．２０により定める値であることが好ましい。このようにαが１．０３～１．２０であると、本発明の効果、すなわち、高強度鋼材を使用したアンダーマッチ溶接接合部での溶接接合部強度を確保し、脆性的な破断が防止でき、溶接施工条件の緩和が可能な溶接接合部を提供できるという効果を、より確実に発揮することができる。
　図２において、Ｘ２位置における余盛厚さが鋼材表面端部の余盛厚さである。図２におけるＸ１～Ｘ２間の任意の位置における開先部余盛ａｘは下記式（２）の条件を満たすことが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
ここで、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）、ｔｘは開先部の鋼材の厚さ（ｍｍ）、σｕｗは溶接金属の引張強度（ＭＰａ）、αは安全率（単位なし）であって１．０１～１．２０により定める値、Ｔｓｌは鋼材の引張強度（ＭＰａ）である。式（２）において、αは安全率（単位なし）であって１．０３～１．２０により定める値であることが好ましい。このようにαが１．０３～１．２０であると、本発明の効果をより確実に発揮することができる。
　図２におけるＸ３－Ｘ２は補強ビードの幅（ｍｍ）である。補強ビードの幅は下記式（３）の条件を満たすことが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
なお、上記式（３）において、ａｘ２は鋼材表面端部の余盛厚さ（ｍｍ）、θはフランク角である。
　図３は、溶接接合部の寸法等を説明する概略図であり、本発明の実施形態について、複数の板厚での余盛高さ（厚さ）と幅方向中心部の中央からの距離の関係をあらわすグラフである。条件は以下の通り。なお、図３のグラフは以下条件にて式（１）～（３）により求めた。
・幅方向中心部２の幅方向距離（各鋼材の最も溶接金属部側どうしの間隔）＝７．０ｍｍ、ベベル角度φ=３５°、フランク角θ＝１５０°、鋼材の厚さ＝２５～５０ｍｍ、ｄ＝０ｍｍ
・鋼材引張強さ規格下限値Ｔｓｌ＝７８０ＭＰａ、溶接金属引張強度σｕｗ＝６５０ＭＰａ
・安全率α＝１．１
　図３に示すように、上述のとおり、幅方向中心部（図３における０～Ｘ１）のいずれかにおいて余盛高さは最大となることが好ましい。幅方向中心部の余盛高さ（余盛の最大厚さａ）は、ｔ＝２５ｍｍのときに８．０ｍｍ、ｔ＝２８ｍｍのときに９．０ｍｍ、ｔ＝３２ｍｍのときに１０．２ｍｍ、ｔ＝３６ｍｍのときに１１．５ｍｍ、ｔ＝４０ｍｍのときに１２．８ｍｍ、ｔ＝４５ｍｍのときに１４．４ｍｍ、ｔ＝５０ｍｍのときに１６．０ｍｍ、である。
　鋼材表面端部（図３におけるＸ２）における余盛高さ（鋼材表面端部の余盛の厚さａｘ２）は、ｔ＝２５ｍｍのときに３．０ｍｍ、ｔ＝２８ｍｍのときに３．４ｍｍ、ｔ＝３２ｍｍのときに３．８ｍｍ、ｔ＝３６ｍｍのときに４．３ｍｍ、ｔ＝４０ｍｍのときに４．８ｍｍ、ｔ＝４５ｍｍのときに５．４ｍｍ、ｔ＝５０ｍｍのときに６．０ｍｍ、である。
　幅方向中心部の中央から補強ビード止端部までの距離は、ｔ＝２５ｍｍのときに２６．２ｍｍ、ｔ＝２８ｍｍのときに２８．９ｍｍ、ｔ＝３２ｍｍのときに３２．６ｍｍ、ｔ＝３６ｍｍのときに３６．２ｍｍ、ｔ＝４０ｍｍのときに３９．８ｍｍ、ｔ＝４５ｍｍのときに４４．４ｍｍ、ｔ＝５０ｍｍのときに４８．９ｍｍ、である。
　また、補強ビードの幅Ｘ３－Ｘ２は、ｔ＝２５ｍｍのときに５．２ｍｍ、ｔ＝２８ｍｍのときに５．８ｍｍ、ｔ＝３２ｍｍのときに６．６ｍｍ、ｔ＝３６ｍｍのときに７．５ｍｍ、ｔ＝４０ｍｍのときに８．３ｍｍ、ｔ＝４５ｍｍのときに９．４ｍｍ、ｔ＝５０ｍｍのときに１０．４ｍｍ、である。
　なお、本発明において、溶接部強度確保の観点から余盛高さの最大値（余盛の最大厚さａ）は７．０～２０．０ｍｍが好ましく、１５ｍｍ～２０ｍｍとすることがより好ましい。
　また、補強ビード止端部での破断防止の観点から鋼材表面端部の余盛厚さａｘ２は２．５～１０ｍｍが好ましく、５ｍｍ～１０ｍｍとすることがより好ましい。
　また、補強ビード止端部の応力集中緩和の観点から補強ビードの幅Ｘ３－Ｘ２は５．０ｍｍ～５０ｍｍとすることが好ましい。
　また、補強ビード溶接施工性の観点から鋼材の厚さｔは１２～８０ｍｍが好ましく、１２ｍｍ～６０ｍｍとすることがより好ましい。
　また、溶接部溶け込み量確保の観点から幅方向中心部の幅方向距離（ルートギャップ）は３．０ｍｍ～１０．０ｍｍとすることが好ましい。
　次に、フランク角について説明する。本発明において、フランク角はラジアスゲージにより求める。なお、フランク角とは、補強ビード止端部８における補強ビード５の接線と鋼材４表面とのなす角θである。
　図１に示す構成を備える溶接接合部について、補強ビード止端部のフランク角と応力集中係数（溶接継ぎ手部材に作用する平均応力の何倍の応力が発生しているか）をＦＥＭ弾性塑性解析にて検討した。モデルは、２次元平面ひずみ要素モデルでフランク角を１８０°から１４０°まで変化させた解析を行った。図８は要素モデルの一例である。また、解析結果例として、鋼材板厚３２ｍｍ、鋼材強度７８０ＭＰａ、溶接金属強度７００ＭＰaの場合の結果を図４に示す。
　これまでの実験からＦＥＭ弾性解析での応力集中係数が３以下であれば、実際の溶接接合部では塑性化の影響によりほぼ最大耐力を保持することを確認している。本発明では、やや安全を見て、応力集中係数２．５以下となるようなフランク角θとした。
　補強ビード止端部での応力・ひずみ集中を低減して脆性的破断を防止するため、フランク角θは１４５°以上である。一方、溶接施工性の観点から、フランク角θは１７０°以下である。フランク角は、好ましくは１４５°～１６０°である。
　図１の溶接接合部１において、各鋼材４は片側開先を有している。なし割れ等を防ぐためベベル角度φは１５°～３５°であることが好ましい。
　図１の溶接接合部１において、下側の面は裏当金６が備えられ、溶接部よりも鋼材での破断を先行させる観点から該裏当金６は深さｄの溶け込み部７を有している。深さｄは、２ｍｍ以上とすることが好ましく、３ｍｍ以上とすることがより好ましい。鋼材強度が７８０ＭＰａ以上の場合や、鋼材の厚さ（ｔ）が１９ｍｍ～４０ｍｍの場合に、板厚に対して過大な余盛を避けるという観点から、深さｄを５ｍｍ～１０ｍｍとする（深溶け込み部）ことがより好ましい。なお、深溶け込み部を形成する場合は、予め溶接条件を決め、どの程度溶け込むかを確認しておくことが好ましい。なお、溶け込み深さｄを考慮し余盛高さを決定する場合には、裏当金６は溶接金属強度確保の観点から、強度５９０～７８０ＭＰaの材料を用いるのが望ましい。
　図５は、図１に示した実施形態の変形例を示す概略図である。図５に記載の実施形態では、鋼材の上下側両面において余盛を備えており、各面において上記図１に基づく実施形態と同様の構成を備えている。上記式（１）では、ｄは溶け込み部における溶け込み深さではなく、余盛の高さ（ｍｍ）である。すなわち、上記式（１）では、上下面の余盛高さをそれぞれａ、ｄとする。
　以下、更に他の実施形態を説明する。以下の実施形態においても、既に述べた構成を備えることができる。いずれの実施形態についても、図５に示したように、鋼材の上下側両面において余盛を備えてよい。
　図６は、本発明の一実施形態を説明する概略図であり、この実施形態では、凹部を有する凹型裏当金６を用いている。前記凹部は幅方向中心部２上に位置していればよい。該凹部内には溶接金属の充填部１０がある。凹部（充填部１０）の深さｄは特に限定されず、５ｍｍ～１０ｍｍが好ましい。なお、充填部１０の深さ（充填深さ）ｄと上記溶け込み部の深さｄは、いずれも、溶接部よりも鋼材での破断を先行させる観点から設けられる点で共通する。図６に示す実施形態は、溶接施工性の観点から、鋼材強度が７８０ＭＰａ以上の場合や、鋼材の厚さ（ｔ）が４０ｍｍ～８０ｍｍの場合に、好ましく適用される。
　図７は、本発明の一実施形態を説明する概略図である。各鋼材４の厚さが異なり、かつ、一方の鋼材４は開先を備えていないレ型開先である。この場合であっても、両側に補強ビード５を設ける。左側鋼材（厚い方の鋼材）の表面端部の余盛厚さａ０は右側鋼材（薄い方の鋼材）の表面端部の余盛厚さａＸ２、両鋼材の厚さｔ１、ｔ２（薄いほうの鋼材の厚さがｔ１、厚いほうの鋼材の厚さがｔ２）から求めることができる（ａ０＝ａＸ２－（ｔ２－ｔ１））。左右いずれも、補強ビード５の幅（ｍｍ）が鋼材表面端部の余盛厚さ以上である。一方の鋼材が開先を備えない場合、他方の鋼材のベベル角度φは溶接施工性の観点から２５°～３５°が好ましい。
　なお、図７に示す実施形態では幅方向中心部２における余盛厚さは一義的には決まらない。しかし、左側の鋼材を基準として判断した場合に幅方向中心部２における余盛厚さが余盛厚さａ０以上であり、かつ、右側の鋼材を基準として判断した場合に幅方向中心部２における余盛厚さが余盛厚さａＸ２以上であれば、「幅方向中心部２上において余盛が最大」と判断することができる。また、上記式（１）では、薄い方の板厚を採用する。
　本発明において、鋼材は適宜選択して使用可能である。例えば、鋼材の組合せとして、鋼板と鋼板、Ｈ形鋼のフランジと鋼板の組合せとすることができる。また、ＵＯＥ鋼管やスパイラル鋼管の溶接接合部として本発明を適用してもよい。
　上記本発明の溶接接合部の製造方法、すなわち、形成方法（溶接方法）は特に限定されない。例えば、両鋼材のルートギャップに溶接金属を形成し、さらに少なくとも一方の面は両鋼材の表面に肉盛りした余盛を形成する本発明の溶接接合部の製造方法により、製造することができる。その際、ルートギャップに裏当金又は凹型裏当金を備えて溶接を行うことが好ましい。具体的には、例えば、サブマージアーク溶接により形成可能である。また、入熱量５０～２００ｋJ／ｃｍでの１パスで溶接接合部を形成してもよいし、入熱量１０～４０ｋJ／ｃｍでの２パス以上の複数パスにより溶接接合部を形成してもよい。
　溶接継手（溶接接合部）の引張試験を実施した。具体的には、図１に示すように、まず、２枚の同じ鋼板（板厚２５ｍｍ×幅４００ｍｍ×長さ２００ｍｍの引張強度７８０ＭＰａ級の鋼板）を余盛厚さ目標値が１０ｍｍ（安全率α＝１．１狙い）、８ｍｍ（安全率α＝１．０１狙い）、４ｍｍとなるように突合わせ溶接をし、溶接継手（溶接部材）を得た。そして、試験体として、得られた溶接継手から試験部位が幅７５ｍｍとなるように機械加工にて切り出した。得られた試験体のマクロ試験（溶接部の断面を観察する試験）から、試験体Ｎｏ．１～Ｎｏ．３はいずれも、補強ビード止端部のフランク角θは１４５°であった。なお、フランク角θについて、図８に示すようなステンレス製のゲージ２０を用いることにより、所定の範囲内の角度であるかを簡単に確認することもできる。図８はフランク角を調べるゲージを説明する概略図であり、例えば角度Ｚが１４５°であるゲージと角度Ｚが１７０°であるゲージとを用いることにより、フランク角θが１４５°～１７０°の範囲内か否かを簡単に判断することができる。開先・溶接条件は、以下である。
＜開先＞
　開先形状：Ｖ形開先、開先角度（ベベル角度φ）：３５°、ルートギャップ（Ｒ．Ｇ．）：５ｍｍ、裏当金：厚さ９ｍｍ×幅２５ｍｍ
＜溶接条件＞
　溶接材料：６８０Ｎ／ｍｍ２級ソリッドワイヤ、直径＝１．４ｍｍ
　電流：２８０～３００（Ａ）、電圧：２８～３０（Ｖ）、速度：１８～３０（ｃｍ／ｍｉｎ）、パス間温度：最大２５０℃
　引張強度、溶接部の測定結果および引張試験結果を表１に示す。母材（鋼材）および溶接金属の引張強度は、それぞれ上記の方法で求めた。母材（鋼材）の降伏強度および溶接金属の０．２％耐力は、それぞれＪＩＳ　Ｚ　２２４１の規定に準拠して求めた。なお、Ｎｏ．３では補強ビードは存在しなかった。
　表１に示すように、本発明に従い製作した試験体、すなわち、補強ビードの幅が鋼材表面端部の余盛厚さ以上であり、補強ビード止端部のフランク角が１４５°以上１７０°以下であり、溶接金属の引張強度が各鋼材の引張強度より小さく、上記式（１）の条件を満たす、Ｎｏ．１試験体およびＮｏ．１試験体より安全率αがやや低いＮｏ．２試験体では、溶接金属強度が弱くても母材（鋼材）での破断が先行することが確認できた。一方、余盛厚さの少ないＮｏ．３試験体では、溶接金属での破断が先行する結果となった。試験結果から、本発明による効果が確認された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
１　　溶接接合部
２　　幅方向中心部
３　　溶接金属
４　　鋼材
５　　補強ビード
６　　裏当金
７　　溶け込み部
８　　補強ビード止端部
９　　鋼材表面端部の余盛厚さ
１０　充填部

Claims (7)

  1. 　両鋼材とそれらの接合部に溶接金属を備え、かつ、少なくとも一方の面は前記両鋼材の表面に肉盛りした余盛を備える溶接接合部であって、
    　前記鋼材の表面に肉盛りした余盛である各補強ビードの幅が鋼材表面端部の余盛厚さ以上であり、
    　各補強ビード止端部のフランク角θが１４５°～１７０°であり、
    　前記溶接金属の引張強度が前記各鋼材の引張強度より小さく、
    　下記式（１）の条件を満たす、溶接接合部。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     　式（１）において、ａは余盛の最大厚さ（ｍｍ）、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）、σｕｗは溶接金属の引張強度（ＭＰａ）、αは安全率（単位なし）であって１．０１～１．２０により定める値、Ｔｓｌは鋼材の引張強度（ＭＰａ）である。ｄは０以上であって、両表面に余盛がある場合は他の余盛の最大厚さ（ｍｍ）である。
  2. 　αは安全率（単位なし）であって１．０３～１．２０により定める値である、請求項１に記載の溶接接合部。
  3. 　前記余盛を備える面とは反対側の面において凹部を有する凹型裏当金を備え、前記式（１）におけるｄが該凹型裏当金における充填深さ（ｍｍ）である、請求項１または２に記載の溶接接合部。
  4. 　前記余盛を備える面とは反対側の面において裏当金を備え、該裏当金が溶け込み部を有し、前記式（１）におけるｄが該溶け込み部における溶け込み深さ（ｍｍ）である、請求項１または２に記載の溶接接合部。
  5. 　前記鋼材の少なくとも一方はベベル角度φが１５°～３５°の開先を有する請求項１～４のいずれかに記載の溶接接合部。
  6. 　請求項１～５のいずれかに記載の溶接接合部の製造方法であって、
    両鋼材のルートギャップに溶接金属を形成し、さらに少なくとも一方の面は前記両鋼材の表面に肉盛りした余盛を形成する、溶接接合部の製造方法。
  7. 　前記ルートギャップに裏当金又は凹型裏当金を備えて溶接を行う、請求項６に記載の溶接接合部の製造方法。
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