JP4797953B2 - 疲労強度に優れた溶接継手 - Google Patents

Description

本発明は、疲労強度に優れた溶接継手に関し、特に鋼板のアーク溶接継手において、余盛止端部の応力集中係数Ｋ_tと溶接部の硬さ分布を制御することにより、疲労強度の有利な向上を図ろうとするものである。

近年、溶接構造物の軽量化のために高強度鋼の使用が求められているが、溶接継手に過大な負荷がかかった場合に溶接金属部で破壊が起こり、溶接継手の強度が鋼板母材のそれよりも低くなるという問題があった。

このような問題に対して、特許文献１には、溶接金属と鋼板母材の強度を制御することにより、過大な負荷がかかった場合には母材側で破壊するようにしたアーク溶接重ね継手構造物の作製方法が提案されている。
特開2005−103622号

一方、溶接構造物が繰返し荷重を受ける場合には、疲労強度を考慮する必要がある。しかしながら、溶接構造物では溶接余盛止端部から疲労き裂が発生し、高強度化による疲労強度の向上を妨げることが問題となっている。
余盛止端部からの疲労き裂発生は、余盛止端部に生じる応力集中に大きく影響される。従って、従来から余盛止端部の形状改善による疲労強度向上技術が提案されている。

例えば、特許文献２には、ＴＩＧ溶接によって余盛止端部を再溶融して余盛止端部形状を滑らかにする方法が提案されている。
また、特許文献３には、鋼板母材と溶接金属の化学組成を調整することにより、余盛止端部の曲率半径を改善する方法が提案されている。
さらに、グラインダー処理等により余盛止端部を研削して滑らかにする方法も従来からよく知られている。
特開昭59−110490号公報 特開平６−340947号公報

非特許文献１に開示されている、溶接継手の応力集中係数Ｋ_tと平滑材の疲労強度σ_w0に対する溶接継手の疲労強度σ_wの比との関係を整理すると、図１に破線で示すようになる。
同図に示したとおり、溶接継手の疲労強度σ_wは、応力集中係数が大きくなるほど低下する。
「渡辺，松本，中野，斉藤：高強度鋼溶接継手の疲労強度とその支配因子−応力集中と溶接残留応力の効果−，溶接学会論文集13（1995）3，P.438〜443」

さらに、特許文献４には、溶接金属と溶接熱影響部の硬さの差を制御することにより、溶接継手の疲労強度を向上させる方法が提案されている。
特開平11−104838号号公報

しかしながら、上述した従来技術はいずれも、以下に述べるような問題を残していた。
すなわち、特許文献１は、溶接金属部での破壊を回避するものであるが、溶接継手の疲労強度を改善する効果は得られていない。

特許文献２は、溶接継手の疲労強度に大きな影響を及ぼす余盛止端部形状を溶接後処理によって改善するものであり、また特許文献３は、鋼板母材および溶接金属の化学組成を調整して余盛止端部形状を改善するものであるが、いずれの方法による溶接継手においても、応力集中部の影響により平滑材と同等の疲労強度は得られていない。
すなわち、溶接継手に対して特許文献２および３のような余盛止端部形状改善方法により応力集中係数Ｋ_tを低下させても、余盛を完全に削除してＫ_t＝1.0としない限りは、図１に破線で示したように余盛止端部における応力集中による疲労強度の低下を完全に抑制することはできず、溶接継手の疲労強度σ_wは平滑材の疲労強度σ_w0より必ず低くなるという問題があった。

特許文献４は、溶接金属と溶接熱影響部の硬さの差を制御することによって溶接継手の疲労強度を向上させるものであるが、やはり平滑材と同等の疲労強度は得られていない。

本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、余盛止端部における応力集中係数Ｋ_tが1.0よりも大きくても、平滑材と同等の優れた疲労強度を有する溶接継手を提案することを目的とする。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．溶融させた金属によって２枚の鋼板を接合した構造用鋼のアーク溶接継手において、当該継手に形成した余盛の止端部における応力集中係数Ｋ_tを 1.0＜Ｋ_t≦1.5 の範囲とし、かつ溶接金属の平均硬さＨ_WM、余盛止端部の硬さＨ_Bおよび熱影響部最低硬さＨ_minが下記(1)式および(2)式を満足することを特徴とする疲労強度に優れた溶接継手。
記

但し、β_tは継手形式に応じて以下の値を取る；2.2（十字継手）、2.0（突合せ継手）、1.0（Ｔ継手）。また、β_bは継手形式に応じて以下の値を取る；1.5（突合せ継手）、1.9（Ｔ継手）、1.0（その他の継手）。さらに、Ｗは溶接継手形式に応じて以下の値を取る；

ここで、θ：余盛角、ρ：余盛止端半径、t：負荷する部材の板厚、tp：負荷を受けない部材の板厚、h：余盛高さ、hp：溶接脚長、a：未溶着部の長さ、α_t：余盛止端部での引張応力係数（引張荷重の場合＝1、曲げ荷重の 場合＝0）、α_b：余盛止端部での曲げ応力係数（曲げ荷重の場合＝1、引張荷重の場合＝0）。

２．上記１において、Ｋ_tの調整手段が、母材鋼板に対応した溶接材料の成分組成の調整、溶接条件の制御および溶接後の付加的な施工による余盛止端部の形状制御のうちから選んだ少なくともいずれか一種であることを特徴とする疲労強度に優れた溶接継手。

３．上記１において、溶接金属の平均硬さＨ_WM、余盛止端部の硬さＨ_Bおよび熱影響部最低硬さＨ_minの調整手段が、母材鋼板に対応した溶接材料の成分組成の調整および溶接条件の制御のうちから選んだ少なくともいずれか一種であることを特徴とする疲労強度に優れた溶接継手。

なお、本発明において、硬さの測定は、JIS Z 2244（ビッカース硬さ試験方法）に準ずるものとし、硬さ測定位置は鋼板表層から0.5mmの深さ位置とする。
そして、溶接金属の平均硬さＨ_WMは、溶融境界から溶接金属側に1.0mmの範囲における平均硬さとする。
また、余盛止端部の硬さＨ_Bは、溶融境界を挟んで隣り合う溶接金属側の測定点と熱影響部側の測定点との測定値をそれぞれＨv₁、Ｈv₂とし、溶融境界から溶融金属側の測定点までの距離をｌ₁、溶融境界から熱影響部側の測定点までの距離を１₂として、次式

で算出した値とする。
さらに、熱影響部最低硬さＨ_minは、溶融境界と母材原質部との間の範囲における最低硬さとする。

本発明によれば、溶接継手の応力集中係数Ｋ_tに応じて、溶接部（溶接金属部、余盛止端部および溶接熱影響部）の硬さ分布を制御することにより、1.0＜Ｋ_t≦1.5の溶接継手において平滑部から疲労き裂を発生させることができる。すなわち、溶接継手において平滑材と同等の疲労強度を得ることができる。
また、本発明によれば、溶接余盛を完全に削除して平滑な形状にしなくても平滑材と同等の疲労強度が得られるため、本発明の溶接継手は疲労破壊が問題となる溶接構造物に対して有効であり、さらに高強度鋼を適用すれば設計疲労強度を高めることが可能となる。

以下、本発明の解明経緯について説明する。
さて、発明者らは、種々の硬さおよびノッチ形状を持つ均質試験片を用いて片振引張疲労試験を行ったところ、疲労強度は、硬さとノッチ部の応力集中係数Ｋ_tで整理できるという知見を得た。
そこで、次に発明者らは、種々の溶接継手を作製して片振引張疲労試験を行い、疲労き裂の発生位置における硬さおよび疲労強度の関係について調査した。対象とした継手は、溶融させた金属によって２枚の鋼板を接合した構造用鋼のアーク溶接継手である。

その結果、余盛止端部の応力集中係数Ｋ_tに応じて、溶接金属の硬さＨ_WM、余盛止端部の硬さＨ_Bおよび熱影響部最低硬さＨ_minを適正範囲に制御することにより、継手の平滑部において疲労き裂を発生させることができること、すなわち溶接継手において平滑材と同等の疲労強度が得られることが究明されたのである。

以下、本発明を具体的に説明する。
余盛止端部に作用する応力が平滑部に作用する応力より著しく高い場合、すなわち余盛止端部の応力集中係数Ｋ_tが著しく高い場合には、溶接部の硬度分布に関係なく余盛止端部において疲労き裂が発生する。
そこで、応力集中係数Ｋ_tの許容上限について調査したところ、Ｋ_t＝1.5 までであれば、溶接部の硬度分布を制御することにより、余盛止端部での疲労き裂発生を防止できることが判明した。

図２に、余盛止端部の応力集中係数Ｋ_tと200万回疲労強度σ_wとの関係について調べた結果を示す。なお、図中、●印は、溶接継手の各部位における硬さが前掲(1)式および(2)式を満足する場合、また○印は、溶接継手の各部位における硬さが前掲(1)式および(2)式の一方または両方を満たさない場合である。
同図に示したとおり、溶接継手の応力集中係数Ｋ_tがＫ_t≦1.5 で、なおかつ硬さ分布を適正な範囲に調整した場合、450MPa以上の高い200万回疲労強度を得ることができた。
また、●印の場合はいずれも、疲労き裂は平滑部で発生していた。
そこで、本発明では、余盛止端部の応力集中係数Ｋ_tについて、 1.0＜Ｋ_t≦1.5 の範囲に限定したのである。

応力集中係数Ｋ_tを 1.0＜Ｋ_t≦1.5 の範囲に調整する手段としては、母材鋼板に対応した溶接材料の成分組成の調整、溶接条件の制御および溶接後の付加的な施工による余盛止端部の形状制御などが考えられる。
より具体的には、溶接条件を制御して溶着量を減らす等の方法により余盛止端部形状を改善することが考えられる。また、前述したTIG処理やグラインダー処理等の溶接後の付加的な施工を行うことが考えられる。ただし、継手が前掲(1)式および(2)式を満足するならば、余盛を完全に削除する必要はない。

次に、上記した余盛止端部における応力集中係数Ｋ_tが 1.0＜Ｋ_t≦1.5 の範囲において、溶接部で疲労き裂を発生させないための、溶接部における硬度分布について調査を行った。
まず、溶接金属の硬さＨ_wmについて調査した。
その結果、溶接金属におけるき裂発生を抑制するためには、応力集中係数Ｋ_tおよび熱影響部最低硬さＨ_minとの関係で、溶接金属の硬さＨ_wmについて、前掲(1)式の範囲を満足させる必要があることが判明した。

次に、同じく 1.0＜Ｋ_t≦1.5 の範囲において、溶融境界におけるき裂発生を抑制するためには、余盛止端部の硬さＨ_Bを、応力集中係数Ｋ_tおよび熱影響部最低硬さＨ_minとの関係で、前掲(2)式を満足する範囲に制御する必要があることが判明した。

ここに、溶接金属の平均硬さＨ_WM、余盛止端部の硬さＨ_Bおよび熱影響部最低硬さＨ_minの調整手段としては、母材鋼板に対応した溶接材料の成分組成の調整および溶接条件の制御などが考えられる。

例えば、溶接継手が、前掲(1)式および(2)式を満足する溶接金属の硬さＨ_WM、余盛止端部の硬さＨ_Bおよび熱影響部最低硬さＨ_minとするためには、鋼板母材に対して溶接金属がオーバーマッチとなる溶接材料を選択することが必要であり、応力集中係数Ｋ_tが大きいほど溶接金属の強度を高くする必要がある。熱影響部最低硬さＨ_minは、溶接条件によって変化するが、高張力調質鋼などの炭素当量が低い鋼板を溶接する場合には熱影響部における軟化が顕著になることが考えられる。この場合は、オーバーマッチの度合いが低くても前掲(1)式および(2)式を満足し得る。また、熱影響部最低硬さＨ_minは、好ましくは母材の硬さと同程度とすることが好ましい。そのためには、鋼板母材の炭素当量の下限値および溶接入熱の上限値を設けるなどにより熱影響部の硬さを制御する方法が考えられる。

次に、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。
供試鋼として490MPa級、780MPa級および980MPa級の鋼材（板厚：12mm）を用意した。供試鋼の機械的特性を表１に示す。
各供試鋼に片面Ｖ溝加工を施し、サブマージアーク溶接によってビードオンプレートで溶接継手を作製した。溶接条件を表２に示す。
これらの溶接継手のビード側表層から0.5mmの深さ位置の硬さ分布（発明例１，２および比較例１のみ）について調べた結果を、図３に示す。
これらの溶接継手から、図４に示す形状の疲労試験片を作製し、発明例２，４，５および比較例１，２，５に関しては、余盛止端部を研磨して余盛角θ、止端半径ρなどを制御した。

これらの疲労試験片について、図５に示す各種の形状パラメータを計測して応力集中係数Ｋ_tを算出した後、片振引張疲労試験を実施した。
表３に、各溶接継手の余盛止端部形状パラメータを示す。
また、表４には、各溶接継手の溶接金属の平均硬さＨ_WM、余盛止端部の硬さＨ_B、熱影響部最低硬さＨ_minならびに200万回疲労強度σ_Wおよびき裂発生位置について調べた結果を示す。
なお、前掲(3)式を用いて応力集中係数Ｋ_tを算出するための止端部形状パラメータのうち、ｔpとａについてはいずれの継手においてもｔp＝０、ａ＝０である。

表４に示したとおり、比較例１は、母材が780MPa級鋼であるのに対して、590MPa級鋼用の溶接ワイヤを使用したため、溶接金属の硬さＨ_WMと熱影響部最低硬さＨ_minの関係が前掲(1)式および(2)式のいずれも満足しなかった。
比較例２は、前掲(1)式を満足しなかった。
比較例３は、応力集中係数Ｋ_tが本発明の適正範囲である1.0＜Ｋ_t≦1.5を満たさず、また前掲(1)式および(2)式も満足しなかった。
比較例４，５はいずれも、前掲(2)式を満足しなかった。さらに、比較例４は、応力集中係数Ｋ_tも1.0＜Ｋ_t≦1.5から外れていた。
これら５つの溶接継手においては、疲労き裂が溶融境界または溶融境界に近い溶接金属部において発生した。その際、き裂発生位置の硬さと疲労強度の関係は、応力集中の影響で平滑材の疲労強度より低くなった。

一方、発明例１〜５はいずれも、応力集中係数Ｋ_tが1.5以下であり、また溶接金属の硬さＨ_WM、余盛止端部の硬さＨ_Bおよび熱影響部最低硬さＨ_minの関係が前掲(1)式および(2)式を満足していた。
これらの溶接継手では、余盛止端部に応力集中が発生するにもかかわらず、疲労き裂は平滑部から発生した。その際、き裂発生位置の硬さと疲労強度の関係はＫ_t＝1.0の平滑材の場合（図２参照）と同様であり、平滑材と同等の疲労強度が得られた。

なお、上記の実施例では、供試材として厚板を使用し、サブマージアーク溶接で継手を作製した場合について例示したが、本発明はこのような溶接継手にのみ限定されるものではなく、溶接方法、溶接継手形式、鋼板の製造方法および薄板、厚板の別にかかわらず、本発明の条件を満足する溶接継手はいずれも、平滑材と同等の疲労強度を得ることができる。

本発明の溶接継手および従来の溶接継手の応力集中係数Ｋ_tと疲労強度比（σ_w／σ_w0）との関係を示した図である。 余盛止端部の応力集中係数Ｋ_tと200万回疲労強度σ_wとの関係を示した図である。 溶接継手の硬さ分布図である。 溶接継手の疲労試験片形状であり、(a)は側面図、(b)は平面図である。 溶接継手の余盛止端部形状を示した図である。

Claims (3)

1. 溶融させた金属によって２枚の鋼板を接合した構造用鋼のアーク溶接継手において、当該継手に形成した余盛の止端部における応力集中係数Ｋ_tを 1.0＜Ｋ_t≦1.5 の範囲とし、かつ溶接金属の平均硬さＨ_WM、余盛止端部の硬さＨ_Bおよび熱影響部最低硬さＨ_minが下記(1)式および(2)式を満足することを特徴とする疲労強度に優れた溶接継手。
   記
   

   

   但し、β_tは継手形式に応じて以下の値を取る；2.2（十字継手）、2.0（突合せ継手)、1.0（Ｔ継手）。また、β_bは継手形式に応じて以下の値を取る；1.5（突合せ継手)、1.9（Ｔ継手)、1.0（その他の継手)。さらに、Ｗは溶接継手形式に応じて以下の値を取る；
   

   

   ここで、θ：余盛角、ρ：余盛止端半径、t：負荷する部材の板厚、tp：負荷を受けない部材の板厚、h：余盛高さ、hp：溶接脚長、a：未溶着部の長さ、α_t：余盛止端部での引張応力係数（引張荷重の場合＝1、曲げ荷重の 場合＝0）、α_b：余盛止端部での曲げ応力係数（曲げ荷重の場合＝1、引張荷重の場合＝0）。
2. 請求項１において、Ｋ_tの調整手段が、母材鋼板に対応した溶接材料の成分組成の調整、溶接条件の制御および溶接後の付加的な施工による余盛止端部の形状制御のうちから選んだ少なくともいずれか一種であることを特徴とする疲労強度に優れた溶接継手。
3. 請求項１において、溶接金属の平均硬さＨ_WM、余盛止端部の硬さＨ_Bおよび熱影響部最低硬さＨ_minの調整手段が、母材鋼板に対応した溶接材料の成分組成の調整および溶接条件の制御のうちから選んだ少なくともいずれか一種であることを特徴とする疲労強度に優れた溶接継手。

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