JP7800518B2 - Manufacturing method of thick steel plate for welded structure, and method for generating weld defect occurrence prediction model - Google Patents
Manufacturing method of thick steel plate for welded structure, and method for generating weld defect occurrence prediction modelInfo
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Description
本発明は、土木、建築および橋梁分野の溶接構造物に使用され、入熱15~1200kJ/cmの広い条件の溶接性に優れ、降伏強さ325MPa以上、引張強さ490MPa以上を有し、降伏比が90%以下、板厚中心位置の板厚方向の試験温度0℃のシャルピー吸収エネルギーの平均が27J以上の厚鋼板、その厚鋼板の製造方法、溶接部欠陥発生予測モデルの生成方法及びその厚鋼板を使用する溶接構造物に関するものである。 This invention relates to a thick steel plate used in welded structures in the fields of civil engineering, architecture, and bridges, which has excellent weldability over a wide range of conditions, from 15 to 1200 kJ/cm of heat input, a yield strength of 325 MPa or more, a tensile strength of 490 MPa or more, a yield ratio of 90% or less, and an average Charpy absorbed energy of 27 J or more in the thickness direction at the center of the plate thickness at a test temperature of 0°C, as well as a manufacturing method for this thick steel plate, a method for creating a model for predicting weld defect occurrence, and a welded structure using this thick steel plate.
近年、溶接構造物の大型化に伴い、鋼板の高強度化や厚肉化が進められている。同時に、構造物の施工能率向上と施工コストの低減の観点から溶接効率の向上が求められ、大入熱溶接の適用範囲が拡大している。例えば、高層建築物に用いられるボックス柱では、サブマージアーク溶接やエレクトロスラグ溶接などの溶接入熱が400kJ/cmを超えるような超大入熱溶接が適用されている。
例えば、高層建築構造物に適用される柱は、4枚の長い鋼板(スキンプレート)をボックス柱形状になるように長辺角部を溶接し、さらに梁が溶接される予定になっている箇所には、強度を確保するために柱内にダイヤフラムを溶接しておくことによって製造される。これらの溶接を行う場合、施工効率の向上や施工時間の短縮を図るため、一パスでの溶接が望まれる。そこで、スキンプレート間の溶接となる角部溶接では入熱量が最大600kJ/cm程度の大入熱サブマージアーク溶接が行われる。また、スキンプレートとダイヤフラムとの溶接では入熱量が400~1200kJ/cm程度の大入熱エレクトロスラグ溶接が行われるようになってきている。しかし、大入熱溶接を行うと、溶接熱影響部(HAZ)の金属組織が粗大化することにより、溶接部の靭性が劣化する問題があり、さらに、低温割れや遅れ破壊などの危険がある。
特に、スキンプレート間の溶接となる角部溶接では、スキンプレート用鋼板の中心偏析の延伸する方向と垂直する。すなわち最も中心偏析に対して割れやすい方向にも力が加わるため、低温割れが発生する可能性が高かった。
In recent years, as welded structures have become larger, steel plates have become stronger and thicker. At the same time, improvements in welding efficiency are required to improve the construction efficiency of structures and reduce construction costs, and the scope of application of high-heat-input welding is expanding. For example, for box columns used in high-rise buildings, ultra-high-heat-input welding methods such as submerged arc welding and electroslag welding, with welding heat inputs exceeding 400 kJ/cm, are used.
For example, columns used in high-rise building structures are manufactured by welding four long steel plates (skin plates) to the corners of their long sides to form a box column shape, and then welding a diaphragm inside the column where a beam is to be welded to ensure strength. When performing these welds, single-pass welding is desirable to improve construction efficiency and reduce construction time. Therefore, high-heat-input submerged arc welding, with a heat input of up to 600 kJ/cm, is used for corner welding between skin plates. Furthermore, high-heat-input electroslag welding, with a heat input of 400 to 1200 kJ/cm, is increasingly used for welding skin plates and diaphragms. However, high-heat-input welding can lead to problems such as coarsening of the metal structure in the heat-affected zone (HAZ), deteriorating the toughness of the weld, and can also pose risks such as cold cracking and delayed fracture.
In particular, corner welding, which is the welding between skin plates, is perpendicular to the direction of extension of the center segregation in the steel plate for the skin plate. In other words, force is applied in the direction most susceptible to cracking relative to the center segregation, increasing the possibility of cold cracking.
そこで、これらの問題を解決するため、これまでに様々なHAZ靭性を改善する鋼板が提案されている。 To solve these problems, various steel plates that improve HAZ toughness have been proposed.
例えば、特許文献1には、母材およびHAZの強度が確保しやすいC:0.07~0.09%の鋼に、Moを0.20~0.60%添加して、大入熱溶接HAZ組織をベイナイト単相化し、さらに、Si、Pを低減し、HAZ靭性を向上する技術が開示されている。この技術によれば、溶接熱影響部(HAZ)靭性と耐溶接割れ性に優れた高強度厚鋼板を製造できるとされている。 For example, Patent Document 1 discloses a technology in which 0.20 to 0.60% Mo is added to steel with 0.07 to 0.09% C, which makes it easy to ensure the strength of the base metal and HAZ, to create a bainite single-phase HAZ structure for high heat input welding, and further reduces Si and P to improve HAZ toughness. This technology is said to enable the production of high-strength thick steel plates with excellent toughness in the heat-affected zone (HAZ) and resistance to weld cracking.
特許文献2には、Ti:0.003~0.02%、B:0.0005~0.0030%、Ca:0.0015~0.0030%、N:0.0040~0.008%に合金元素を制御することにより、TiNやBN等の窒化物が微細分散することが開示されている。粗大なCa含有介在物および板厚方向靭性に有害な展伸したMnS系介在物を抑制し、さらにCの中心偏析を抑制し、溶接熱影響部(HAZ)での板厚方向(Z方向)の靭性を確保する技術が紹介されている。 Patent Document 2 discloses that by controlling the alloying elements to Ti: 0.003-0.02%, B: 0.0005-0.0030%, Ca: 0.0015-0.0030%, and N: 0.0040-0.008%, nitrides such as TiN and BN are finely dispersed. The document introduces a technology that suppresses coarse Ca-containing inclusions and elongated MnS-based inclusions that are detrimental to through-thickness toughness, as well as suppressing central segregation of C, thereby ensuring through-thickness (Z-direction) toughness in the weld heat-affected zone (HAZ).
しかし、上記特許文献に開示された従来技術には、以下のような問題がある。 However, the prior art disclosed in the above patent document has the following problems:
特許文献1には、今回の課題である厚さ方向の靭性に関する記載はない。 Patent Document 1 does not mention the toughness through the thickness, which is the issue at hand.
特許文献2には、厚さ方向の靭性を求めることは困難であるため、実際に評価することなく、製造制御によって、品質を担保することが記載されており、いずれの技術も、直接厚さ方向の靭性を評価することがないため、正確な低温割れに対する解決ができなかった。 Patent Document 2 describes how, because it is difficult to determine toughness in the thickness direction, quality is ensured through manufacturing control without actually evaluating it. Since neither of these technologies directly evaluates toughness in the thickness direction, they were unable to provide an accurate solution to the problem of cold cracking.
本発明は、従来技術が抱える上記の問題点に鑑み開発したものであって、板厚中心部の偏析を制御することで、低温割れを抑制可能な溶接構造用厚鋼板及びその製造方法、溶接部欠陥発生予測モデルの生成方法、並びに溶接構造物を提供することを目的とする。 The present invention was developed in consideration of the above-mentioned problems with conventional technology, and aims to provide a thick steel plate for welded structures that can suppress cold cracking by controlling segregation in the center of the plate thickness, a manufacturing method thereof, a method for generating a weld defect occurrence prediction model, and a welded structure.
発明者らは上記課題を解決するために、溶接構造物用厚鋼板において、鋼板中心偏析と溶接熱影響部(HAZ)の低温割れの要件について鋭意検討した。
その結果、低温割れを含む溶接欠陥を発生させずに溶接構造物を製作するには、鋼板の中心偏析の領域を低減させることであることを見出した。一方で、溶接欠陥に至るかどうかの閾値や中心偏析の領域に影響する各種鋼板の製造仕様は単一の因子で決定せず、複雑に影響していることが確認された。
そこで、大量データを用いた機械学習や統計解析によるモデルを構築することで複雑な影響を鑑みることができることができ、最終目的である溶接欠陥を発生させない溶接構造物の製造方法を見出した。
In order to solve the above problems, the inventors have conducted extensive research into the requirements for steel plate center segregation and cold cracking in the weld heat affected zone (HAZ) in thick steel plates for welded structures.
As a result, it was discovered that reducing the area of center segregation in steel plates is the key to producing welded structures without generating welding defects, including cold cracking. However, it was also confirmed that the threshold for whether or not a weld defect occurs and the manufacturing specifications of various steel plates that affect the area of center segregation are not determined by a single factor, but are influenced by complex factors.
Therefore, by constructing a model using machine learning and statistical analysis with large amounts of data, it was possible to take into account complex influences, and we discovered a manufacturing method for welded structures that does not produce welding defects, which is our ultimate goal.
上記知見に基づき開発した本発明に係る溶接構造物用厚鋼板は、以下のように構成される。
[1]質量%で、C:0.03~0.16%、Si:0.50%以下、Mn:0.8~3.0%、P:0.015%以下、S:0.0050%以下、Al:0.005~0.100%、Ti:0.004~0.030%、N:0.0015~0.0065%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、板厚中央部におけるMn成分濃化部の面積割合が3%以下であり、板厚中央位置の板厚方向の試験温度0℃でのシャルピー吸収エネルギーvE0が27J以上であり、降伏強さが325~750N/mm2、及び引張強さが490~930N/mm2で降伏比が90%以下の溶接構造物用厚鋼板である。ここで、Mn成分濃化部とは、板厚中央部を含む分析視野において、鋼板のMn濃度がレードルにおける溶鋼のMn成分分析値の1.2倍以上となる領域とする。
[2]上記の[1]において、前記成分組成として、さらに、質量%で、Cu:0.01~1.00%、Ni:0.01~2.50%、Cr:1.5%以下、Mo:1.0%以下、Nb:0.1%以下、V:0.2%以下、Ca:0.005%以下、REM:0.02%以下、Mg:0.005%以下、B:0.005%以下、から選択される1または2以上を含有する溶接構造物用厚鋼板である。
The thick steel plate for welded structures according to the present invention, which was developed based on the above findings, has the following configuration.
[1] A thick steel plate for welded structures containing, by mass%, C: 0.03 to 0.16%, Si: 0.50% or less, Mn: 0.8 to 3.0%, P: 0.015% or less, S: 0.0050% or less, Al: 0.005 to 0.100%, Ti: 0.004 to 0.030%, N: 0.0015 to 0.0065%, with the balance being Fe and unavoidable impurities, wherein the area ratio of Mn-enriched portions at the plate thickness center is 3% or less, the Charpy absorbed energy vE0 at the plate thickness center position in the plate thickness direction at a test temperature of 0°C is 27 J or more, the yield strength is 325 to 750 N/ mm2 , the tensile strength is 490 to 930 N/ mm2 , and the yield ratio is 90% or less. Here, the Mn-enriched portion is defined as a region in an analytical field including the central portion of the plate thickness where the Mn concentration of the steel plate is 1.2 times or more the Mn analysis value of the molten steel in the ladle.
[2] In the above [1], the steel plate for welded structures further contains, as the chemical composition, one or more selected from, by mass%, Cu: 0.01 to 1.00%, Ni: 0.01 to 2.50%, Cr: 1.5% or less, Mo: 1.0% or less, Nb: 0.1% or less, V: 0.2% or less, Ca: 0.005% or less, REM: 0.02% or less, Mg: 0.005% or less, and B: 0.005% or less.
上記知見に基づき開発した本発明に係る溶接構造物用厚鋼板の製造方法およびその厚鋼板の製造時における溶接部欠陥発生予測モデルの生成方法は、以下のように構成される。
[3]上記の[1]又は[2]の溶接構造物用厚鋼板の製造時に、厚鋼板の製造仕様の実績、厚鋼板の機械特性値、溶接仕様の実績、及び溶接部の欠陥発生の実績を含む教師データを用いて、事前に機械学習により学習された溶接部欠陥発生予測モデルに基づき、特定の溶接仕様を入力し、溶接部の欠陥発生率が所望の値に漸近するような、又は前記所望の値の範囲内となるように厚鋼板の製造仕様を取得する厚鋼板の製造仕様取得ステップと、前記厚鋼板の製造仕様取得ステップで取得された厚鋼板の製造仕様を用いて厚鋼板を製造する製造ステップと、を有する溶接構造物用厚鋼板の製造方法である。
[4]上記の[1]又は[2]に記載された溶接構造物用厚鋼板の製造時における溶接部欠陥発生予測モデルの生成方法であって、厚鋼板の製造仕様の実績、厚鋼板の機械的特性値、溶接仕様の実績、及び溶接部の欠陥発生の実績を含む教師データを用いて、機械学習により学習し、溶接部の欠陥発生の予測モデルを生成する溶接部欠陥発生予測モデルの生成方法である。
The method for manufacturing a thick steel plate for a welded structure according to the present invention, which was developed based on the above findings, and the method for generating a prediction model for weld defect occurrence during the manufacturing of the thick steel plate, are configured as follows.
[3] A method for manufacturing a thick steel plate for a welded structure according to [1] or [2] above, which includes: a step of acquiring manufacturing specifications for a thick steel plate, using teacher data including the results of the manufacturing specifications for the thick steel plate, the mechanical property values of the thick steel plate, the results of the welding specifications, and the results of the occurrence of defects in the welds, to input specific welding specifications based on a weld defect occurrence prediction model that has been trained in advance by machine learning, and acquiring manufacturing specifications for the thick steel plate so that the defect occurrence rate in the welds asymptotically approaches a desired value or is within the range of the desired value; and a manufacturing step of manufacturing the thick steel plate using the manufacturing specifications for the thick steel plate acquired in the step of acquiring manufacturing specifications for the thick steel plate.
[4] A method for generating a prediction model for weld defect occurrence during the manufacture of a thick steel plate for a welded structure as described in [1] or [2] above, which uses training data including actual results of the manufacturing specifications of the thick steel plate, mechanical property values of the thick steel plate, actual results of the welding specifications, and actual results of defect occurrence in welds, to learn through machine learning and generate a prediction model for defect occurrence in welds.
上記知見に基づき開発した本発明に係る溶接構造物は、以下のように構成される。
[5]上記の[1]又は[2]の溶接構造物用厚鋼板を用いて、単層又は多層盛りアーク溶接されている溶接構造物である。
[6]上記の[5]において、前記溶接構造物は、ボックス柱であって、前記厚鋼板をフランジ側の鋼板に用いて、単層又は多層盛りサブマージアーク溶接されている溶接構造物である。
The welded structure according to the present invention, which was developed based on the above findings, is configured as follows.
[5] A welded structure that is single-layer or multi-layer arc-welded using the thick steel plate for welded structures of [1] or [2] above.
[6] In the above [5], the welded structure is a box column, and is a welded structure in which the thick steel plate is used as the steel plate on the flange side and is welded by single-layer or multi-layer submerged arc welding.
本発明によれば、最大100mmまでの板厚範囲において325MPa以上の降伏強さ、490MPa以上の引張強さであって90%以下の低降伏比、板厚中心位置の板厚方向の試験温度0℃のシャルピー吸収エネルギーの平均が27J以上の靭性を有し、大入熱溶接熱影響部および小入熱多パス溶接部において耐溶接割れ性に優れた厚鋼板を製造することが可能となる。そのため、溶接構造物における溶接施工効率の向上に大きく寄与し、産業上格段の効果を奏する。 The present invention makes it possible to manufacture thick steel plates with a yield strength of 325 MPa or more in a thickness range of up to 100 mm, a tensile strength of 490 MPa or more with a low yield ratio of 90% or less, and toughness with an average Charpy absorbed energy of 27 J or more at the center of the thickness direction at a test temperature of 0°C. They also have excellent weld crack resistance in high-heat-input weld heat-affected zones and low-heat-input multi-pass welds. This significantly contributes to improving the efficiency of welding work in welded structures, providing significant industrial benefits.
以下、本実施形態に係る溶接構造物用厚鋼板について説明する。
<厚鋼板の化学成分>
厚鋼板の成分組成は、質量%で、C:0.03~0.16%、Si:0.50%以下、Mn:0.8~3.0%、P:0.015%以下、S:0.0050%以下、Al:0.005~0.100%、Ti:0.004~0.030%、N:0.0015~0.0065%の範囲で含有させる。以下で各成分を説明する。以下の説明において、成分の含有量を表す「%」は「質量%」を意味する。
Hereinafter, a thick steel plate for a welded structure according to this embodiment will be described.
<Chemical composition of steel plate>
The steel plate has a chemical composition, expressed in mass%, of 0.03 to 0.16% C, 0.50% or less Si, 0.8 to 3.0% Mn, 0.015% or less P, 0.0050% or less S, 0.005 to 0.100% Al, 0.004 to 0.030% Ti, and 0.0015 to 0.0065% N. Each component is explained below. In the following explanation, "%" representing the content of a component means "% by mass."
C:0.03%以上0.16%以下
Cは、鋼の強度を増加させ、構造用鋼材として必要な強度を確保するのに有用な元素である。他の合金元素の添加量を必要最小限に抑えるために、C含有量は、0.03%以上とする。一方、C含有量が0.16%を超えると耐溶接割れ性の低下、HAZ靭性の低下が顕著になる。そのため、C含有量は0.03%以上0.16%以下の範囲とする。
C: 0.03% or more and 0.16% or less C is an element that increases the strength of steel and is useful for ensuring the strength required for structural steel. In order to minimize the amount of other alloying elements added, the C content is set to 0.03% or more. On the other hand, if the C content exceeds 0.16%, the weld crack resistance and HAZ toughness will be significantly reduced. Therefore, the C content is set to the range of 0.03% or more and 0.16% or less.
Si:0.50%以下
Siは、脱酸材として機能するとともに、母材強度を高める効果を有する元素である。前記効果を得るために、Si含有量は0.01%以上とするのが好ましい。一方、Si含有量が0.50%を超えると、島状マルテンサイトの生成が促進され、靭性や溶接性の低下が顕在化する。そのため、Si含有量は0.50%以下とする。好ましくは、Si含有量は0.35%以下である。
Si: 0.50% or less Si is an element that functions as a deoxidizer and has the effect of increasing the strength of the base material. To achieve this effect, the Si content is preferably 0.01% or more. On the other hand, if the Si content exceeds 0.50%, the formation of island martensite is promoted, resulting in a significant decrease in toughness and weldability. Therefore, the Si content is set to 0.50% or less. Preferably, the Si content is 0.35% or less.
Mn:0.8%以上3.0%以下
Mnは、鋼の強度を増加させる効果を有する元素である。大入熱溶接熱影響部のミクロ組織中の島状マルテンサイトが低減し、組織が微細化することで靭性を確保するとともに、325MPa以上の母材の降伏強さを確保するため、Mn含有量は0.8%以上とする。好ましくは、Mn含有量は1.5%以上とする。一方、Mn含有量が3.0%を超えると、母材の靭性および溶接熱影響部靭性が著しく劣化する。そのため、Mn含有量は3.0%以下とする。好ましくは、Mn含有量は2.8%以下である。
Mn: 0.8% or more and 3.0% or less Mn is an element that has the effect of increasing the strength of steel. The Mn content is set to 0.8% or more because the island martensite in the microstructure of the high-heat-input weld heat-affected zone is reduced, resulting in a finer structure, thereby ensuring toughness and ensuring a base metal yield strength of 325 MPa or more. Preferably, the Mn content is set to 1.5% or more. On the other hand, if the Mn content exceeds 3.0%, the toughness of the base metal and the toughness of the weld heat-affected zone are significantly degraded. Therefore, the Mn content is set to 3.0% or less. Preferably, the Mn content is set to 2.8% or less.
P:0.015%以下
Pは、HAZ組織において島状マルテンサイトに濃化し、島状マルテンサイトの生成を助長するため、HAZ靭性を低下させる。そのため、HAZ靭性を向上させるためにはPを低減することが好ましい。よって、P含有量は0.015%以下とする。好ましくは、P含有量が0.006%以下とすることによってHAZ靭性の向上効果が顕著となる。
P: 0.015% or less P concentrates in island martensite in the HAZ structure and promotes the formation of island martensite, thereby reducing HAZ toughness. Therefore, it is preferable to reduce P in order to improve HAZ toughness. Therefore, the P content is set to 0.015% or less. Preferably, the P content is set to 0.006% or less, which significantly improves HAZ toughness.
S:0.0050%以下
Sは、母材の低温靭性を劣化させる元素であり、できるだけ低減することが好ましい。S含有量が0.0050%を超えると、低温靭性の劣化が顕著となるため、S含有量は0.0050%以下とする。好ましくは、S含有量は0.0030%以下である。
S: 0.0050% or less S is an element that deteriorates the low-temperature toughness of the base material, and it is preferable to reduce the content as much as possible. If the S content exceeds 0.0050%, the deterioration of low-temperature toughness becomes significant, so the S content is set to 0.0050% or less. Preferably, the S content is 0.0030% or less.
Al:0.005%以上0.100%以下
Alは、脱酸剤として作用する元素であり、高張力鋼の溶鋼脱酸プロセスにおいて、もっとも汎用的に使われる。また、Alは、鋼中のNをAlNとして固定し、母材の靭性向上に寄与する。前記効果を得るために、Al含有量は0.005%以上とする。好ましくは、Al含有量は、0.010%以上とする。一方、Al含有量が0.100%を超えると、母材の靭性が低下するとともに、溶接時に溶接金属部にAlが混入して、溶接金属部の靭性が劣化する。そのため、Al含有量は0.100%以下とする。好ましくは、Al含有量は0.070%以下である。
Al: 0.005% or more and 0.100% or less Al is an element that acts as a deoxidizer and is most commonly used in the molten steel deoxidation process for high-tensile steel. Furthermore, Al fixes N in steel as AlN, contributing to improving the toughness of the base material. To achieve this effect, the Al content is set to 0.005% or more. Preferably, the Al content is set to 0.010% or more. On the other hand, if the Al content exceeds 0.100%, the toughness of the base material decreases, and Al is mixed into the weld metal during welding, deteriorating the toughness of the weld metal. Therefore, the Al content is set to 0.100% or less. Preferably, the Al content is set to 0.070% or less.
Ti:0.004%以上0.030%以下
Tiは、Nとの親和力が強く、凝固時にTiNとして析出する。高温でも安定なTiNのピンニング効果により、大入熱溶接熱影響部でのオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制し、溶接熱影響部の靭性を向上させることができる。前記効果を得るために、Ti含有量は、0.004%以上とする。好ましくは、Ti含有量は0.006%以上とする。一方、Ti含有量が0.030%を超えると、TiN粒子が粗大化し、オーステナイト粒の粗大化抑制効果が飽和する。そのため、Ti含有量は0.030%以下とする。好ましくは、Ti含有量は0.025%以下である。
Ti: 0.004% or more and 0.030% or less Ti has a strong affinity with N and precipitates as TiN during solidification. The pinning effect of TiN, which is stable even at high temperatures, can suppress coarsening of austenite grains in the heat affected zone of high heat input welding, improving the toughness of the weld heat affected zone. To achieve this effect, the Ti content is set to 0.004% or more. Preferably, the Ti content is set to 0.006% or more. On the other hand, if the Ti content exceeds 0.030%, TiN particles become coarse, and the effect of suppressing coarsening of austenite grains becomes saturated. Therefore, the Ti content is set to 0.030% or less. Preferably, the Ti content is set to 0.025% or less.
N:0.0015%以上0.0065%以下
Nは、TiNを確保するために必要な元素であり、0.0015%未満では十分なTiN量が確保できない。そのため、N含有量は0.0015%以上とする。好ましくは、N含有量は、0.0030%以上とする。一方、N含有量が0.0065%を超えると、固溶N量の増加により、母材および溶接部の靭性が著しく低下する。そのため、N含有量は0.0065%以下とする。好ましくは、N含有量は0.0060%以下とする。
N: 0.0015% or more and 0.0065% or less N is an element necessary for ensuring TiN, and if the N content is less than 0.0015%, a sufficient amount of TiN cannot be ensured. Therefore, the N content is set to 0.0015% or more. Preferably, the N content is set to 0.0030% or more. On the other hand, if the N content exceeds 0.0065%, the amount of solute N increases, significantly reducing the toughness of the base metal and weld. Therefore, the N content is set to 0.0065% or less. Preferably, the N content is set to 0.0060% or less.
以上が実施形態に係る厚鋼板の成分組成の基本構成であるが、任意に、さらに、下記の成分組成から選択される1または2以上を含有することができる。
Cu:0.01~1.00%、Ni:0.01~2.50%、Cr:1.5%以下、Mo:1.0%以下、Nb:0.1%以下、V:0.2%以下、Ca:0.005%以下、REM:0.02%以下、Mg:0.005%以下、B:0.005%以下。
The above is the basic composition of the steel plate according to the embodiment, but optionally, one or more components selected from the following composition may further be contained.
Cu: 0.01 to 1.00%, Ni: 0.01 to 2.50%, Cr: 1.5% or less, Mo: 1.0% or less, Nb: 0.1% or less, V: 0.2% or less, Ca: 0.005% or less, REM: 0.02% or less, Mg: 0.005% or less, B: 0.005% or less.
Cu:0.01%以上1.00%以下
Cuは、高靭性を保ちつつ強度を増加させることが可能な元素である。加えてCuは、大入熱溶接熱影響部の靭性への影響も小さいため、高強度化に有用な元素である。Cuを含有する場合には、前記効果を得るために、Cu含有量を0.01%以上とする。好ましくは、Cu含有量は0.10%以上とし、より好ましくは0.20%以上とする。一方、Cu含有量が1.00%を超えると熱間脆性を生じて鋼板の表面性状が劣化するため、Cu含有量は1.00%以下とする。好ましくは、Cu含有量は0.70%以下とする。
Cu: 0.01% or more and 1.00% or less Cu is an element that can increase strength while maintaining high toughness. In addition, Cu has little effect on the toughness of the heat-affected zone in high-heat-input welding, making it a useful element for increasing strength. When Cu is contained, the Cu content is set to 0.01% or more to obtain the above-mentioned effect. Preferably, the Cu content is set to 0.10% or more, and more preferably, 0.20% or more. On the other hand, if the Cu content exceeds 1.00%, hot embrittlement occurs, deteriorating the surface properties of the steel sheet, so the Cu content is set to 1.00% or less. Preferably, the Cu content is set to 0.70% or less.
Ni:0.01%以上2.50%以下
Niは、Cuと同様、高靭性を保ちつつ強度を増加させることが可能な元素である。加えてNiは、大入熱溶接熱影響部の靭性への影響も小さいため、高強度化のために有用な元素である。Niを含有する場合には、前記効果を得るために、Ni含有量は0.01%以上とする。好ましくは、Ni含有量は0.10%以上とし、より好ましくは0.20%以上とする。一方、Ni含有量が2.50%を超えると、添加効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できなくなり、経済的に不利になる。そのため、Ni含有量は2.50%以下とする。好ましくは、Ni含有量は1.7%以下とする。
Ni: 0.01% or more and 2.50% or less Like Cu, Ni is an element that can increase strength while maintaining high toughness. In addition, Ni has little effect on the toughness of the heat-affected zone in high-heat-input welding, making it a useful element for increasing strength. When Ni is contained, the Ni content is set to 0.01% or more to obtain the above-mentioned effects. Preferably, the Ni content is set to 0.10% or more, more preferably 0.20% or more. On the other hand, if the Ni content exceeds 2.50%, the effect of addition saturates, and no effect commensurate with the content can be expected, which is economically disadvantageous. Therefore, the Ni content is set to 2.50% or less. Preferably, the Ni content is set to 1.7% or less.
Cr:1.5%以下
Crは、鋼の強度向上に寄与する元素であり、所望する強度に応じて任意に含有できる。しかし、Cr含有量が1.5%を超えると大入熱溶接熱影響部靭性が劣化するため、Crを含有する場合、Cr含有量は1.5%以下とする。なお、Crによる強度向上効果を得るという観点からは、Cr含有量は0.05%以上とすることが好ましい。
Cr: 1.5% or less Cr is an element that contributes to improving the strength of steel and can be contained at any amount depending on the desired strength. However, if the Cr content exceeds 1.5%, the toughness of the heat-affected zone in high-heat-input welding deteriorates, so if Cr is contained, the Cr content is set to 1.5% or less. From the viewpoint of obtaining the strength-improving effect of Cr, the Cr content is preferably set to 0.05% or more.
Mo:1.0%以下
Moは、Crと同様、鋼の強度向上に寄与する元素であり、所望する強度に応じて任意に含有できる。しかし、Mo含有量が1.0%を超えると大入熱溶接熱影響部の靭性が劣化するため、Moを含有する場合、Mo含有量は1.0%以下とする。なお、Moによる強度向上効果を得るという観点からは、Mo含有量は0.05%以上とすることが好ましい。
Mo: 1.0% or less Like Cr, Mo is an element that contributes to improving the strength of steel and can be contained in any amount depending on the desired strength. However, if the Mo content exceeds 1.0%, the toughness of the heat-affected zone in high-heat-input welds deteriorates, so if Mo is contained, the Mo content is set to 1.0% or less. From the viewpoint of obtaining the strength-improving effect of Mo, the Mo content is preferably set to 0.05% or more.
Nb:0.1%以下
Nbは、Cr、Moと同様、鋼の強度向上に寄与する元素であり、所望する強度に応じて任意に含有できる。しかし、Nb含有量が0.1%を超えると母材靭性および大入熱溶接熱影響部の靭性が劣化するため、Nbを含有する場合、Nb含有量は0.1%以下とする。なお、Nbによる強度向上効果を得るという観点からは、Nb含有量は0.005%以上とすることが好ましい。
Nb: 0.1% or less Like Cr and Mo, Nb is an element that contributes to improving the strength of steel and can be contained in any amount depending on the desired strength. However, if the Nb content exceeds 0.1%, the toughness of the base material and the toughness of the heat-affected zone in high-heat-input welding deteriorate. Therefore, when Nb is contained, the Nb content is set to 0.1% or less. From the viewpoint of obtaining the strength-improving effect of Nb, the Nb content is preferably set to 0.005% or more.
V:0.2%以下
Vは、Cr、Mo、Nbと同様、鋼の強度向上に寄与する元素であり、所望する強度に応じて任意に含有できる。しかし、V含有量が0.2%を超えると大入熱溶接熱影響部の靭性が劣化するため、Vを含有する場合、V含有量は0.2%以下とする。なお、Vによる強度向上効果を得るという観点からは、V含有量は0.01%以上とすることが好ましい。
V: 0.2% or less Like Cr, Mo, and Nb, V is an element that contributes to improving the strength of steel and can be contained in any amount depending on the desired strength. However, if the V content exceeds 0.2%, the toughness of the heat-affected zone in high-heat-input welds deteriorates, so if V is contained, the V content is set to 0.2% or less. From the viewpoint of obtaining the strength-improving effect of V, the V content is preferably set to 0.01% or more.
Ca:0.005%以下
Caは、結晶粒が微細化することによって、靭性が向上する効果を有する元素であり、所望する特性に応じて任意に含有できる。しかし、Ca含有量が0.005%を超えると、添加効果が飽和するため、Caを含有する場合、Ca含有量は0.005%以下とする。なお、Caによる靭性向上効果を得るという観点からは、Ca含有量は0.001%以上とすることが好ましい。
Ca: 0.005% or less Ca is an element that has the effect of improving toughness by refining crystal grains, and can be contained at any amount depending on the desired properties. However, if the Ca content exceeds 0.005%, the effect of adding Ca becomes saturated, so if Ca is contained, the Ca content is set to 0.005% or less. Note that, from the viewpoint of obtaining the toughness improving effect of Ca, the Ca content is preferably set to 0.001% or more.
REM:0.02%以下
REM(希土類金属)は、Caと同様に靭性が向上する効果を有しており、所望する特性に応じて任意に含有できる。しかし、REM含有量が0.02%を超えると、添加効果が飽和するため、REMを含有する場合、REM含有量は0.02%以下とする。なお、REMによる靭性が向上する効果を得るという観点からは、REM含有量は0.002%以上とすることが好ましい。
REM: 0.02% or less REM (rare earth metals) have the effect of improving toughness, similar to Ca, and can be contained in any amount depending on the desired properties. However, if the REM content exceeds 0.02%, the effect of addition becomes saturated, so if REM is contained, the REM content should be 0.02% or less. From the viewpoint of obtaining the effect of improving toughness due to REM, the REM content is preferably 0.002% or more.
Mg:0.005%以下
Mgは、Caと同様に結晶粒が微細化することによって、靭性が向上する効果を有する元素であり、所望する特性に応じて任意に含有できる。しかし、Mg含有量が0.005%を超えると、添加効果が飽和するため、Mgを含有する場合、Mg含有量は0.005%以下とする。なお、Mgによる靭性向上の効果を得るという観点からは、Mg含有量は0.001%以上とすることが好ましい。
Mg: 0.005% or less Like Ca, Mg is an element that has the effect of improving toughness by refining crystal grains, and can be contained in any amount depending on the desired properties. However, if the Mg content exceeds 0.005%, the effect of addition becomes saturated, so if Mg is contained, the Mg content should be 0.005% or less. From the viewpoint of obtaining the effect of Mg in improving toughness, the Mg content is preferably 0.001% or more.
B:0.005%以下
Bは、焼入れ性を向上させることにより、鋼の強度を向上させる作用を有する元素である。また、Bは、大入熱溶接時には、溶接熱影響部において固溶窒素を窒化物として固着することにより靭性を向上させる効果を有している。しかしB含有量が0.005%を超えると、焼入れ性が過度に高くなり、母材の靭性および延性が低下する。そのため、Bを含有する場合、B含有量を0.005%以下とする。好ましくは、B含有量は0.002%以下とする。なお、Bの添加効果を得るという観点からは、B含有量は0.0003%以上とすることが好ましい。
B: 0.005% or less B is an element that improves the hardenability and thereby the strength of steel. Furthermore, B has the effect of improving toughness during high heat input welding by fixing dissolved nitrogen as nitrides in the weld heat affected zone. However, if the B content exceeds 0.005%, the hardenability becomes excessively high, and the toughness and ductility of the base material decrease. Therefore, when B is contained, the B content is set to 0.005% or less. Preferably, the B content is set to 0.002% or less. From the viewpoint of obtaining the effect of adding B, the B content is preferably set to 0.0003% or more.
Ceq:0.90%以下
炭素等量Ceqは、C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14で計算され、所望の強度に合わせて、各種合金元素を添加することが好ましい。Ceqが0.90%を超えると耐溶接割れ性の低下、HAZ靭性の低下が顕著になる。そのため、Ceqは0.90%以下とすることが好ましい。
Pcm:0.35%以下
溶接割れ感受性組成Pcmは、C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5Bで計算される。Pcmが0.35%を超えると低温割れ感受性が高まり、溶接金属に割れが発生しやすくなるため、Pcmは0.35%以下とすることが好ましい。
本実施形態に係る溶接構造物用厚鋼板の化学組成は、上記の元素を含有し、残部はFe及び不可避的不純物である。
Ceq: 0.90% or less The carbon equivalent Ceq is calculated as C + Mn/6 + Si/24 + Ni/40 + Cr/5 + Mo/4 + V/14, and it is preferable to add various alloy elements according to the desired strength. If Ceq exceeds 0.90%, the weld crack resistance and HAZ toughness will be significantly reduced. Therefore, it is preferable that Ceq be 0.90% or less.
Pcm: 0.35% or less The weld crack susceptibility composition Pcm is calculated as C + Si/30 + Mn/20 + Cu/20 + Ni/60 + Cr/20 + Mo/15 + V/10 + 5 B. If Pcm exceeds 0.35%, the cold cracking susceptibility increases, making it easier for cracks to occur in the weld metal, so Pcm is preferably set to 0.35% or less.
The chemical composition of the steel plate for welded structures according to this embodiment contains the above elements, with the balance being Fe and unavoidable impurities.
<厚鋼板の金属組織と機械的特性>
次に、本実施形態に係る溶接構造物用厚鋼板の金属組織について説明する。
板厚中央部におけるMn成分濃化部の面積割合:3%以下
鋼板の金属組織は特定しないが、板厚中央部の成分濃化部の面積は小さくする。ここで、Mn成分濃化部とは、板厚中央部を含む分析視野において、鋼板のMn濃度がレードルにおける溶鋼のMn成分分析値の1.2倍以上となる領域とする。
鋼板の板幅中央と板厚中央から、長手方向と板厚方向が断面となるように、それぞれ試験片を採取し金属組織を評価した。
電子線マイクロアナライザ(EPMA)により試験片の化学元素の解析を行う。化学元素解析は、板厚中央を中心とし板厚方向5mm×10mm視野を対象とする。その定められた視野において、試験片表面を電解研磨した後、加速電圧20kV、ビーム形状の長さ20μmの帯状、ステップ20μmの条件で、Mn濃度を測定した。視野内における250点×500点のうち、Mn濃度がレードルにおける溶鋼のMn成分分析値の1.2倍以上となる位置を成分濃化部(介在物含む)と定め、10250点の成分濃化部面積の割合を求める。
<Metal structure and mechanical properties of thick steel plates>
Next, the metal structure of the steel plate for a welded structure according to this embodiment will be described.
Area ratio of Mn-enriched portions in the center of plate thickness: 3% or less The metallographic structure of the steel plate is not specified, but the area of the Mn-enriched portions in the center of plate thickness is made small. Here, the Mn-enriched portions are defined as regions in an analytical field including the center of plate thickness where the Mn concentration in the steel plate is 1.2 times or more the Mn analysis value of the molten steel in the ladle.
Test pieces were taken from the width center and thickness center of the steel plate so that the cross sections were in the longitudinal direction and thickness direction, respectively, and the metal structure was evaluated.
The chemical elements of the test specimens were analyzed using an electron probe microanalyzer (EPMA). The chemical element analysis covered a 5 mm x 10 mm field of view in the thickness direction, centered at the center of the plate thickness. After electrolytic polishing of the surface of the test specimen in the determined field of view, the Mn concentration was measured under the conditions of an acceleration voltage of 20 kV, a 20 μm long strip beam shape, and a 20 μm step. Of the 250 x 500 points within the field of view, positions where the Mn concentration was 1.2 times or more the Mn element analysis value of the molten steel in the ladle were defined as element-enriched areas (including inclusions), and the area ratio of the element-enriched areas was calculated for 10,250 points.
板厚中央に成分濃化部が存在するとき、成分濃化部の合金成分が多いため焼入れ性が高くなる。そのため、変態温度も低下する。FEM(有限要素法)による熱応力解析において、板厚中央位置の物性値を変化させ、変態による熱膨張する温度を低下させた場合、熱応力は増加することが確認された。
そこで、板厚中央部におけるMn成分濃化部面積の割合が3%を超える鋼板を用いて角部溶接を行うと、低温割れが発生する可能性が著しく高いため、Mn成分濃化部面積の割合は3%以下とする。
When an element-enriched area exists in the center of the plate thickness, the alloy element content in the element-enriched area is high, resulting in high hardenability. As a result, the transformation temperature also decreases. In a thermal stress analysis using the finite element method (FEM), it was confirmed that when the physical properties at the center of the plate thickness are changed and the temperature at which thermal expansion occurs due to transformation is lowered, the thermal stress increases.
Therefore, when corner welding is performed using a steel plate in which the area ratio of the Mn-enriched portion in the center of the plate thickness exceeds 3%, there is a significantly high possibility of cold cracking occurring, so the area ratio of the Mn-enriched portion is set to 3% or less.
また、本実施形態に係る溶接構造物用厚鋼板とは、板厚が12mm以上の鋼板をいう。 Furthermore, the thick steel plate for welded structures in this embodiment refers to a steel plate with a plate thickness of 12 mm or more.
板厚中央位置の板厚方向の試験温度0℃でのシャルピー吸収エネルギーvE0:27J以上
本実施形態に係る溶接構造物用厚鋼板の靭性は、板厚中央位置で評価する。板厚中央位置にVノッチを入れた、板厚方向の靭性のシャルピー特性vE0(0℃におけるシャルピー衝撃試験値)は27J以上である。
ボックス柱角部を溶接し、FEM(有限要素法)によって、溶接部の熱応力を解析した。その結果、溶接による入熱によって、熱応力が発生し、フランジ側の板厚中央位置に、板厚方向に大きな熱応力がかかることを見出した。
そのため、板厚中央位置の板厚方向の靭性vE0が27J未満の場合、溶接入熱による熱応力により、フランジ側の板厚中央位置に低温割れが発生する危険性が高くなる。
そこで、板厚中央位置の板厚方向の靭性vE0は27J以上である。なお、板厚が55mm以下の場合、板厚方向にシャルピー試験片を採取することが困難である。その場合は、シャルピー試験片のノッチ位置は板厚中央位置とし、両端に別途鋼材を圧接して、試験片を作成することで、試験が可能となる。
Charpy absorbed energy vE0 at a test temperature of 0°C in the thickness direction at the center of the thickness: 27 J or more The toughness of the steel plate for welded structures according to this embodiment is evaluated at the center of the thickness. The Charpy property of toughness vE0 (Charpy impact test value at 0°C) in the thickness direction with a V-notch at the center of the thickness is 27 J or more.
The corners of the box column were welded, and the thermal stress at the weld was analyzed using the finite element method (FEM). As a result, it was found that the heat input from welding generates thermal stress, and that a large thermal stress is applied in the thickness direction at the center of the plate thickness on the flange side.
Therefore, if the toughness vE0 in the thickness direction at the center of the plate thickness is less than 27J, there is a high risk of cold cracking occurring at the center of the plate thickness on the flange side due to thermal stress caused by welding heat input.
Therefore, the toughness vE0 in the thickness direction at the center of the plate thickness is 27 J or more. Note that when the plate thickness is 55 mm or less, it is difficult to obtain a Charpy test specimen in the thickness direction. In that case, the notch position of the Charpy test specimen is set at the center of the plate thickness, and separate steel materials are pressure-welded to both ends to prepare a test specimen, making it possible to perform the test.
降伏強さ:325N/mm2以上750N/mm2以下
本実施形態に係る溶接構造物用厚鋼板の降伏強さ(YS)は、特に限定されず、任意の値とすることができる。建築構造用のボックス柱用途を考慮して、厚鋼板の降伏強さは325N/mm2以上750N/mm2以下とする。
Yield strength: 325 N/ mm2 or more and 750 N/ mm2 or less The yield strength (YS) of the thick steel plate for welded structures according to this embodiment is not particularly limited and can be any value. In consideration of use as a box column in building structures, the yield strength of the thick steel plate is set to 325 N/ mm2 or more and 750 N/ mm2 or less.
引張強さ:490N/mm2以上930N/mm2以下
本実施形態に係る溶接構造物用厚鋼板の引張強さ(TS)は、特に限定されず、任意の値とすることができる。建築構造用のボックス柱用途を考慮して、厚鋼板の引張強さは490N/mm2以上930N/mm2以下とする。
Tensile strength: 490 N/ mm2 or more and 930 N/ mm2 or less The tensile strength (TS) of the thick steel plate for welded structures according to this embodiment is not particularly limited and can be any value. In consideration of use as a box column in building construction, the tensile strength of the thick steel plate is set to 490 N/ mm2 or more and 930 N/ mm2 or less.
降伏比:90%以下
本実施形態に係る溶接構造物用厚鋼板の降伏比(YR)は、特に限定されず、任意の値とすることができる。建築構造物では耐震性の向上が求められ、鋼板母材の塑性変形能確保のために、降伏比(YR)を90%以下の低YRとする。耐震性が必要な場合は、好ましくは、降伏比(YR)は85%以下であり、より好ましくは80%以下である。
なお、ここで降伏比とは、引張強さ(TS)に対する降伏強さ(YS)の比をパーセンテージで表した値、すなわち、YR(%)=(YS/TS)×100を指すものとする。
Yield ratio: 90% or less The yield ratio (YR) of the thick steel plate for welded structures according to this embodiment is not particularly limited and can be any value. Improved earthquake resistance is required for architectural structures, and in order to ensure the plastic deformability of the steel plate base material, the yield ratio (YR) is set to a low YR of 90% or less. When earthquake resistance is required, the yield ratio (YR) is preferably 85% or less, more preferably 80% or less.
The yield ratio here refers to the ratio of the yield strength (YS) to the tensile strength (TS) expressed as a percentage, that is, YR (%) = (YS/TS) x 100.
<厚鋼板の製造方法>
次に、本実施形態に係る溶接構造物用厚鋼板の製造方法を説明する。
<Method of manufacturing thick steel plates>
Next, a method for manufacturing a thick steel plate for a welded structure according to this embodiment will be described.
本実施形態に係る低降伏比で高張力を有する溶接構造物用厚鋼板について、上述した成分組成の鋼素材(熱間圧延素材)の製造方法はとくに限定せず、例えば、上記した組成を有する溶鋼を溶製し、鋳造して製造することができる。前記溶製は、転炉、電気炉、誘導炉等、任意の方法により行うことができる。溶製後の鋳造は、生産性の観点から連続鋳造法で行うことが好ましいが、造塊-分解圧延法により行うこともできる。前記鋼素材としては、例えば、鋼スラブを用いることができる。鋳造されたスラブの厚さは500mm以下とすることが好ましい。
なお、厚鋼板の板厚中央の成分濃化部面積の割合を低減させるためには、鋳造条件が厳格に管理され、スラブの板厚中央付近まで柱状晶組織とし、軽圧下が加えられることが好ましい。なお、スラブ断面のマクロ組織を確認し、柱状晶組織となっていることを観察することができる。
Regarding the steel plate for welded structures having a low yield ratio and high tensile strength according to this embodiment, the method for producing the steel material (hot-rolled material) having the above-mentioned component composition is not particularly limited, and it can be produced, for example, by melting molten steel having the above-mentioned composition and casting it. The melting can be carried out by any method, such as a converter, an electric furnace, or an induction furnace. From the viewpoint of productivity, casting after melting is preferably carried out by a continuous casting method, but it can also be carried out by an ingot casting-breaking rolling method. For example, a steel slab can be used as the steel material. The thickness of the cast slab is preferably 500 mm or less.
In order to reduce the proportion of the area of the element-enriched portion at the center of the thickness of the steel plate, it is preferable that the casting conditions are strictly controlled, the columnar crystal structure is formed up to the center of the thickness of the slab, and soft reduction is applied. The columnar crystal structure can be observed by checking the macrostructure of the cross section of the slab.
鋼素材の温度は、板厚平均温度を指すものとする。なお、製造管理では、板厚を複数に区分し、鋼板表面、1/4t位置、板厚中央の温度の管理を行うことがあるが、本実施形態の表記は、板厚を複数に区分し、管理する場合は全区分の温度の平均を板厚平均温度とする。 The temperature of the steel material refers to the average temperature across the plate thickness. In production control, the plate thickness may be divided into multiple sections and the temperatures of the steel plate surface, the 1/4t position, and the center of the plate thickness may be controlled. However, in this embodiment, when the plate thickness is divided into multiple sections and controlled, the average temperature across all sections is referred to as the average temperature across the plate thickness.
また、本実施形態に係る溶接構造物用厚鋼板は、溶接性に優れる厚鋼板であって、熱処理を行わない熱間圧延で製造する例を示す。なお、板厚中央の厚み方向の靭性、及び板厚中央位置の成分濃化部の面積割合は熱処理によって大きく変化しないため、所望の降伏強さ、引張強さ、及び降伏比を得るために、熱間圧延後の熱処理は実施されてもよい。 The steel plate for welded structures according to this embodiment is a steel plate with excellent weldability, and is manufactured by hot rolling without heat treatment. Since the toughness in the thickness direction at the center of the plate thickness and the area ratio of the element-enriched portion at the center of the plate thickness do not change significantly due to heat treatment, heat treatment may be performed after hot rolling to obtain the desired yield strength, tensile strength, and yield ratio.
上記の鋼素材は、熱間圧延に先立って加熱される。加熱は、鋳造などの方法によって得た鋼素材を一旦冷却した後に行ってもよく、また、鋳造により得られた鋼素材は、冷却することなく直接加熱に供することもできる。なお、厚鋼板のミクロ組織や特性は、熱間圧延後の熱処理によって制御することができる。
鋼素材の加熱温度が900℃未満であると、鋼素材の変形抵抗が高いため、熱間圧延における圧延機への負荷が増大し熱間圧延を行うことが困難となる場合がある。そのため、加熱温度は900℃以上とすることが好ましい。一方、加熱温度が1250℃より高いと、鋼の酸化が顕著となり酸化によるロスが増大する結果、歩留まりが低下する。そのため、加熱温度は1250℃以下とすることが好ましい。加熱の後、加熱された鋼素材は熱間圧延され厚鋼板とする。厚鋼板の最終板厚は、19mm以上100mm以下とする。
The above-mentioned steel material is heated prior to hot rolling. Heating may be carried out after the steel material obtained by a method such as casting has been cooled, or the steel material obtained by casting may be directly subjected to heating without being cooled. The microstructure and properties of the steel plate can be controlled by heat treatment after hot rolling.
If the heating temperature of the steel material is less than 900°C, the deformation resistance of the steel material is high, which increases the load on the rolling mill during hot rolling and may make hot rolling difficult. Therefore, the heating temperature is preferably 900°C or higher. On the other hand, if the heating temperature is higher than 1250°C, oxidation of the steel becomes significant, increasing losses due to oxidation and resulting in a decrease in yield. Therefore, the heating temperature is preferably 1250°C or lower. After heating, the heated steel material is hot rolled to form a thick steel plate. The final thickness of the thick steel plate is 19 mm or more and 100 mm or less.
熱間圧延が終了した厚鋼板は、降伏強さ、引張強さ、降伏比に応じて、鋼板が冷却されることもできる。冷却を行う場合の条件は特に限定されないが、空冷、水冷など、任意の方法で冷却を行うことができる。水冷としては、水を用いた任意の冷却方法(例えば、スプレー冷却、ミスト冷却、ラミナー冷却など)を用いることができる。冷却温度は、特に限定されないが、例えば、常温(20℃など)以上、700℃以下とすることができる。 After hot rolling, the steel plate can be cooled according to its yield strength, tensile strength, and yield ratio. The cooling conditions are not particularly limited, but any method, such as air cooling or water cooling, can be used. For water cooling, any cooling method using water (e.g., spray cooling, mist cooling, laminar cooling, etc.) can be used. The cooling temperature is not particularly limited, but can be, for example, from room temperature (e.g., 20°C) to 700°C.
次に、本実施形態に係る溶接構造物用厚鋼板の製造方法における品質制御を説明する。
上述では、本実施形態の厚鋼板の製造方法の一例を示したが、溶接時の低温割れやすさを示す板厚方向の靭性は前記条件の範囲内でも得られないことがある。一方で、各工程の製造条件が相互に影響することによって板厚方向の靭性は変化するため、板厚方向の靭性を向上可能にする操業管理は非常に困難である。
Next, quality control in the method for manufacturing thick steel plates for welded structures according to this embodiment will be described.
Although an example of the manufacturing method of the steel plate according to the present embodiment has been described above, the toughness in the thickness direction, which indicates the susceptibility to cold cracking during welding, may not be obtained even within the above-mentioned range of conditions. On the other hand, the toughness in the thickness direction changes due to the mutual influence of the manufacturing conditions in each process, so that it is very difficult to manage the operation so as to improve the toughness in the thickness direction.
そこで、板厚方向の靭性に影響する鋼板の板厚中央の成分濃化部面積の割合を低減させるためには、鋳造後のスラブの段階で、板厚中央の成分濃化部面積を低減させることが有効である。成分濃化部面積は化学組成、溶鋼鋳込みモールド幅、溶鋼鋳込みモールド厚、溶鋼鋳造速度、鋳造における冷却条件、軽圧下条件、及び電磁攪拌条件などが影響する。
したがって、成分濃化部面積をスラブ段階で低減させるには、鋳造凝固時の組織をスラブ厚中心まで柱状晶にしつつ、凝固末期にスラブに軽圧下を加えることが有効である。ただし、スラブ厚中心まで柱状晶になる条件の推定や、凝固末期がいつかを予測することは影響因子が多く困難である。
Therefore, in order to reduce the proportion of the area of the concentrated element portion at the center of the thickness of a steel plate, which affects the toughness in the plate thickness direction, it is effective to reduce the area of the concentrated element portion at the center of the thickness of the plate at the stage of the slab after casting. The area of the concentrated element portion is affected by the chemical composition, the width and thickness of the molten steel casting mold, the casting speed, the cooling conditions during casting, the soft reduction conditions, the electromagnetic stirring conditions, etc.
Therefore, in order to reduce the area of the concentrated element portion at the slab stage, it is effective to make the structure at the time of casting solidification columnar to the center of the slab thickness and to apply a soft reduction to the slab at the final stage of solidification. However, estimating the conditions under which columnar crystals are formed to the center of the slab thickness and predicting when the final stage of solidification occurs are difficult due to the many influencing factors.
また、鋳造後のスラブの熱間圧延では、スラブ厚と鋼板厚みの比をより大きくすることにより熱間圧延を高温で行うことや、1パス当たりの圧下量を大きくすることで、スラブの成分濃化部の面積は同一でも板厚中央の結晶粒が細粒化し板厚方向の靭性が向上する。 In addition, when hot rolling the slab after casting, by increasing the ratio of slab thickness to steel plate thickness and performing hot rolling at a higher temperature, or by increasing the reduction per pass, the crystal grains in the center of the plate thickness become finer, even if the area of the element-enriched portion of the slab remains the same, thereby improving toughness in the plate thickness direction.
上述のように複雑に相互影響する各製造操業因子を制御する必要がある。そこで、厚鋼板における板厚中心部の偏析を制御することで、溶接構造物の施工における溶接時の低温割れを抑制する厚鋼板を製造するため、溶接部欠陥発生予測モデルを活用する。
そこで、厚鋼板の製造方法における品質制御方法を説明するが、本発明は、目的を達成する限りこの実施形態に限定されるものではない。
As mentioned above, it is necessary to control the various manufacturing operation factors that interact in a complex manner. Therefore, a weld defect occurrence prediction model is utilized to manufacture steel plates that suppress cold cracking during welding in the construction of welded structures by controlling segregation in the center of the plate thickness.
Therefore, a quality control method in a manufacturing method of thick steel plate will be described, but the present invention is not limited to this embodiment as long as the object is achieved.
本実施形態は、厚鋼板の製造仕様の実績、厚鋼板の機械特性値、溶接仕様の実績、及び溶接部の欠陥発生の実績を含む教師データを用いて、事前に機械学習により学習された溶接部欠陥発生予測モデルに基づき、特定の溶接仕様を入力するとともに、溶接部の欠陥発生率が所望の値に漸近するような、又は前記所望の値の範囲内となるように厚鋼板の製造仕様を取得する厚鋼板の製造仕様取得ステップと、前記厚鋼板の製造仕様取得ステップで取得された厚鋼板の製造仕様を用いて厚鋼板を製造する製造ステップとを有する厚鋼板の製造方法である。 This embodiment is a method for manufacturing thick steel plates, which includes a thick steel plate manufacturing specification acquisition step in which specific welding specifications are input based on a weld defect occurrence prediction model that has been trained in advance by machine learning using training data including the results of thick steel plate manufacturing specifications, mechanical property values of the thick steel plate, results of welding specifications, and results of weld defect occurrence, and acquires thick steel plate manufacturing specifications that will bring the weld defect occurrence rate asymptotically close to a desired value or within the desired value range; and a manufacturing step in which thick steel plates are manufactured using the thick steel plate manufacturing specifications acquired in the thick steel plate manufacturing specification acquisition step.
まず、厚鋼板の製造仕様の実績、厚鋼板の機械特性値、溶接仕様の実績、及び溶接部の欠陥発生の実績を含む教師データを用いて、機械学習により学習された溶接部欠陥発生予測モデルを構築する。 First, a machine learning-trained model for predicting weld defect occurrence is constructed using training data including the actual manufacturing specifications for thick steel plates, the mechanical properties of thick steel plates, the actual welding specifications, and the actual occurrence of weld defects.
ここで、教師データとして用いる厚鋼板の製造仕様の実績は、鋳造工程及び圧延工程の製造実績データを含む。鋳造工程の製造実績は、鋼板の板厚中央の成分濃化部面積に影響する化学組成、溶鋼鋳込みモールド幅、溶鋼鋳込みモールド厚、溶鋼鋳造速度、鋳造における冷却条件、軽圧下条件、及び電磁攪拌条件などである。圧延工程の製造実績は、加熱温度、制御圧延開始温度、制御圧延率、仕上げ圧延温度、制御冷却開始温度、制御冷却終了温度、熱処理有無、熱処理種別、熱処理時加熱温度、熱処理後温度などである。 Here, the actual manufacturing specifications for steel plates used as training data include actual manufacturing data for the casting and rolling processes. The manufacturing results for the casting process include the chemical composition, molten steel casting mold width, molten steel casting mold thickness, molten steel casting speed, cooling conditions during casting, soft reduction conditions, and electromagnetic stirring conditions, all of which affect the area of the concentrated element zone at the center of the steel plate's thickness. The manufacturing results for the rolling process include the heating temperature, controlled rolling start temperature, controlled rolling reduction ratio, finish rolling temperature, controlled cooling start temperature, controlled cooling end temperature, whether or not heat treatment was performed, the type of heat treatment, the heating temperature during heat treatment, and the temperature after heat treatment.
また、教師データとして用いる厚鋼板の機械的特性値は、製品板厚、板厚方向靭性値、降伏強さ、引張強さ、降伏比、伸び、寸法、形状、鋼板成分濃化部の面積割合を含む。 In addition, the mechanical property values of the thick steel plate used as training data include product plate thickness, toughness value in the plate thickness direction, yield strength, tensile strength, yield ratio, elongation, dimensions, shape, and area ratio of steel plate constituent enriched areas.
また、教師データとして用いる溶接仕様実績は、溶接方法、開先形状、ルートギャップ、予熱温度、電流、電圧、ガス流量、溶接速度、パス数、後熱処理条件などを含む。 In addition, the welding specifications used as training data include welding method, groove shape, root gap, preheat temperature, current, voltage, gas flow rate, welding speed, number of passes, and post-heat treatment conditions.
また、教師データとして用いる溶接部の欠陥発生の実績は、低温割れ、高温割れ、凝固割れを含む。 In addition, the actual defect occurrences in welds used as training data include low-temperature cracking, high-temperature cracking, and solidification cracking.
ここで、本実施形態の予測モデルとして、局所回帰、サポートベクターマシン、ニューラルネットワーク、及びランダムフォレストなどの統計手法並びに機械学習モデルを作成する。具体的には、複数若しくは単数のモデルを用い、最も精度の良い組み合わせ若しくは最も精度の良いモデルを選択する。 Here, statistical methods and machine learning models such as local regression, support vector machines, neural networks, and random forests are created as predictive models in this embodiment. Specifically, multiple or single models are used, and the most accurate combination or model is selected.
次いで、上記のこれらの実績を教師データとして結びつけられ、構築された溶接部欠陥発生予測モデルに基づいて、特定の溶接仕様を入力して、溶接部の目標欠陥発生率と対比するために用いる溶接部の欠陥発生率の推定値を得る。
入力する溶接仕様は、溶接方法、開先形状、ルートギャップ、溶材の種類、予熱温度、電流、電圧、ガス流量、溶接速度、パス数、後熱処理条件などである。
Next, these actual results are linked as training data to construct a weld defect occurrence prediction model, and specific welding specifications are input to obtain an estimated weld defect occurrence rate that can be used to compare with a target weld defect occurrence rate.
The welding specifications to be entered include the welding method, groove shape, root gap, type of welding material, preheat temperature, current, voltage, gas flow rate, welding speed, number of passes, and post-heat treatment conditions.
次の厚鋼板の製造仕様取得ステップとして、算出された溶接部の欠陥発生率の推定値が、溶接部の目標欠陥発生率として設定された溶接部の欠陥発生率に係る所望の値に漸近するような、又は所望の値の範囲内となるように、厚鋼板の製造仕様を探索し、取得する。
ここで、最適化された厚鋼板の機械的特性値も取得することができる。
As the next step for obtaining manufacturing specifications for the thick steel plate, manufacturing specifications for the thick steel plate are searched for and obtained so that the calculated estimated value of the defect occurrence rate of the weld asymptotically approaches the desired value for the defect occurrence rate of the weld set as the target defect occurrence rate of the weld, or is within the desired value range.
Here, the optimized mechanical properties of the steel plate can also be obtained.
続いて、厚鋼板の製造ステップとして、厚鋼板の製造仕様取得ステップで取得された厚鋼板の製造仕様を用いて各製造ラインに製造条件を設定し、厚鋼板を製造する。 Next, in the steel plate manufacturing step, the steel plate manufacturing specifications acquired in the steel plate manufacturing specification acquisition step are used to set manufacturing conditions for each manufacturing line, and the steel plates are manufactured.
以上の厚鋼板の製造ステップにより、最適化された機械的特性を有する厚鋼板を製造する厚鋼板の製造仕様が取得され、かつこの製造ステップにより製造された厚鋼板を溶接構造物の製造に使用することにより、溶接部の欠陥発生率が低い溶接構造物を得ることができる。 Through the above steel plate manufacturing steps, steel plate manufacturing specifications are obtained for producing steel plates with optimized mechanical properties, and by using the steel plates manufactured through these manufacturing steps to manufacture welded structures, welded structures with a low rate of weld defects can be obtained.
他の一実施形態は、溶接構造物用厚鋼板を製造するにあたり、厚鋼板の機械的特性値、溶接仕様の実績、及び溶接部の欠陥発生の実績を含む教師データを用いて、事前に機械学習により学習された溶接部欠陥発生予測モデルに基づき、特定の溶接仕様を入力し、溶接部の欠陥発生率が所望の値に漸近するような、又は前記所望の値の範囲内となるように厚鋼板の機械的特性値を取得する厚鋼板の機械的特性値取得方法である。 Another embodiment is a method for acquiring mechanical property values of thick steel plates for welded structures, which uses training data including the mechanical property values of the thick steel plates, the actual welding specifications, and the actual occurrence of defects in welds, and inputs specific welding specifications based on a weld defect occurrence prediction model that has been trained in advance by machine learning, to acquire mechanical property values of the thick steel plates so that the defect occurrence rate in welds approaches a desired value or is within the desired value range.
まず、厚鋼板の機械的特性値、溶接仕様の実績、及び溶接部の欠陥発生の実績を含む教師データを用いて、機械学習により学習された溶接部欠陥発生予測モデルを生成する。次いで、上記のこれらの実績を教師データとして結びつけられた溶接部欠陥発生予測モデルに基づいて、特定の溶接仕様を入力して、溶接部の目標欠陥発生率と対比するために用いる溶接部の欠陥発生率の推定値を得る。 First, a weld defect occurrence prediction model trained through machine learning is generated using training data including the mechanical property values of the steel plate, the welding specification results, and the weld defect occurrence results. Next, based on the weld defect occurrence prediction model linked to these results as training data, specific welding specifications are input to obtain an estimated weld defect occurrence rate that can be used to compare with the target weld defect occurrence rate.
さらに、算出された溶接部の欠陥発生率の推定値が、溶接部の目標欠陥発生率として設定された溶接部の欠陥発生率に係る所望の値に漸近するような、又は所望の値の範囲内となるように厚鋼板の機械的特性値を探索し、取得する。 Furthermore, the mechanical property values of the thick steel plate are searched for and obtained so that the calculated estimated value of the defect occurrence rate of the weld asymptotically approaches the desired value for the defect occurrence rate of the weld set as the target defect occurrence rate of the weld, or is within the desired range of values.
ここで、溶接部の目標欠陥発生率とは、特定の厚鋼板の機械的特性を有する溶接素材が、特定の溶接仕様により溶接され、製造される溶接構造物における溶接部の目標とする欠陥発生率である。 Here, the target defect rate in welds refers to the target defect rate in welds in welded structures manufactured by welding welding materials having the mechanical properties of specific thick steel plates according to specific welding specifications.
溶接部欠陥発生予測モデルを構築するために教師データとして採用される厚鋼板の機械的特性値は、製品板厚、板厚方向靭性値、降伏強さ、引張強さ、降伏比、伸び、寸法、形状、鋼板成分濃化部の面積割合を含む。 The mechanical property values of thick steel plates used as training data to build a weld defect occurrence prediction model include product plate thickness, toughness value in the plate thickness direction, yield strength, tensile strength, yield ratio, elongation, dimensions, shape, and area percentage of steel plate constituent enriched areas.
また、教師データとして用いる溶接仕様実績は、溶接方法、開先形状、ルートギャップ、予熱温度、電流、電圧、ガス流量、溶接速度、パス数、後熱処理条件などを含む。 In addition, the welding specifications used as training data include welding method, groove shape, root gap, preheat temperature, current, voltage, gas flow rate, welding speed, number of passes, and post-heat treatment conditions.
また、教師データとして用いる溶接部の欠陥発生の実績は、低温割れ、高温割れ、凝固割れを含む。 In addition, the actual defect occurrences in welds used as training data include low-temperature cracking, high-temperature cracking, and solidification cracking.
溶接部欠陥発生予測モデルを構築するための教師データとして、さらに、厚鋼板の製造における鋼素材の鋳造工程および圧延工程の製造実績データを含むことが好ましい。 It is preferable that the training data for constructing a weld defect occurrence prediction model further includes production performance data for the casting and rolling processes of steel material in the production of thick steel plates.
予測する厚鋼板の機械的特性値は、板厚方向靭性値を主とするが、合わせて、降伏強さ、引張強さ、伸び、降伏比、長手方向靭性値、寸法、形状、欠陥などのうち一つ以上を予測することが好ましい。理由は、操業条件を最適化する際に、板厚方向靭性が良好として最適化された条件が他の目標とする特性を満足しない場合があるため、板厚方向靭性値以外の機械的特性値を合わせて予測する予測モデルを構築することが好ましい。 The mechanical property values of steel plates to be predicted are primarily the toughness value through the thickness direction, but it is preferable to also predict one or more of the following: yield strength, tensile strength, elongation, yield ratio, longitudinal toughness value, dimensions, shape, defects, etc. The reason for this is that when optimizing operating conditions, optimized conditions that provide good toughness through the thickness direction may not satisfy other target properties, so it is preferable to build a prediction model that also predicts mechanical property values other than the toughness value through the thickness direction.
ここで、本実施形態の予測モデルとして、局所回帰、サポートベクターマシン、ニューラルネットワーク、及びランダムフォレストなどの統計手法並びに機械学習モデルを作成する。具体的には、複数若しくは単数のモデルを用い、最も精度の良い組み合わせ若しくは最も精度の良いモデルを選択する。 Here, statistical methods and machine learning models such as local regression, support vector machines, neural networks, and random forests are created as predictive models in this embodiment. Specifically, multiple or single models are used, and the most accurate combination or model is selected.
上述の板厚方向靭性値以外の機械的特性値を合わせて予測する溶接部欠陥発生予測モデルにより取得された板厚方向靭性値を含む厚鋼板の機械的特性値を最適化する方法を次に示す。 The following describes a method for optimizing the mechanical property values of thick steel plates, including the thickness direction toughness value obtained using the weld defect occurrence prediction model, which also predicts mechanical property values other than the thickness direction toughness value described above.
まず、材料特性に対する最適化については下記数式1で最適化する。数式1において、xはベクトルとして表わされる設計条件、kは特性の種類、fk(x)は特性の予測値、αkは予め設定される重み係数である。評価関数における特性の予測値の関数fk(x)は、構築された予測モデルに基づく。制約条件を満たす設計条件xの集合である。
したがって、制約条件を満たす範囲内で最適な設計条件を探索することになる。Lk、Ukはそれぞれ特性値の下限値および上限値である。メタヒューリスティクスや遺伝的アルゴリズム、数理計画法、群知能等を用いた方法により、このような最適化問題を解く。
First, optimization of material properties is performed using the following formula 1. In formula 1, x is a design condition expressed as a vector, k is the type of property, fk(x) is the predicted value of the property, and αk is a weighting coefficient that is set in advance. The function fk(x) of the predicted value of the property in the evaluation function is based on the constructed prediction model. αk is a set of design conditions x that satisfy the constraints.
Therefore, the optimal design conditions are searched for within a range that satisfies the constraints. Lk and Uk are the lower and upper limits of the characteristic values, respectively. Such optimization problems are solved by methods using metaheuristics, genetic algorithms, mathematical programming, swarm intelligence, etc.
所望の特性に対応する最適な設計条件が数式1に示すような制約条件を満たすことで、仮に製造コストの観点から鉄鋼材料への添加物の量および製造設備の能力に限界があるような場合であっても、逆解析により得られた設計条件を有効に利用できる。制約条件を定めることで、闇雲に探索するのではなく制約条件の範囲内で効率よく探索できる。
以上、上記で探索された厚鋼板の製造条件で製造することにより、例えば、板厚方向靭性値が27J以上、板厚方向靭性値以外の機械的特性の目標値を有する厚鋼板を製造することができる。
By ensuring that the optimal design conditions corresponding to the desired properties satisfy the constraints shown in Equation 1, the design conditions obtained by inverse analysis can be effectively utilized even in cases where there are limits to the amount of additives added to the steel material and the capacity of the manufacturing equipment from the perspective of manufacturing costs. By defining the constraints, it is possible to efficiently search within the range of the constraints rather than searching blindly.
As described above, by manufacturing steel plates under the manufacturing conditions found above, it is possible to manufacture steel plates having, for example, a thickness direction toughness value of 27 J or more and target values for mechanical properties other than the thickness direction toughness value.
<溶接構造物>
上記実施形態で製造した溶接構造用厚鋼板を用いて、単層又は多層盛りのアーク溶接を行い、溶接構造物を構築することができる。また、ボックス柱の溶接構造物では、上記厚鋼板をフランジ側の鋼板に用いて単層又は多層盛りのサブマージアーク溶接を行い、ボックス柱を構築することができる。
<Welded structures>
The steel plates for welded structures manufactured in the above-described embodiments can be used to construct welded structures by single-layer or multi-layer arc welding. In the case of welded box columns, the steel plates can be used as flange-side steel plates by single-layer or multi-layer submerged arc welding to construct the box columns.
以下、本実施形態の効果を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
転炉、取鍋精錬、連続鋳造法で、表1に示す成分組成に鋼を調整し、鋳造された鋼素材(スラブ)を熱間圧延により、板厚が19~100mmの鋼板とした。
The effects of this embodiment will be specifically described below based on examples, but the present invention is not limited to these examples.
Steel was adjusted to the composition shown in Table 1 using a converter, ladle refining, and continuous casting methods, and the cast steel material (slab) was hot rolled into steel plates with a thickness of 19 to 100 mm.
溶接構造物用厚鋼板を製造するにあたり、厚鋼板の機械的特性にかかる厚鋼板の製造仕様の最適化を実施した。予測モデルは、事前学習として、まず学習用データに対して回帰モデルによる学習を実施し、厚鋼板の製造仕様実績、板厚方向靭性値実績、溶接仕様の実績、及び溶接部の欠陥発生の実績とを結びつけ、溶接部欠陥発生予測モデルを作成した。 この予測モデルより、算出された溶接部の欠陥発生率の推定値が、溶接部の目標欠陥発生率として設定された溶接部の欠陥発生率の範囲内となるように、板厚方向靭性が向上するように、ガウス確率分布に基づくベイズ最適化により、厚鋼板の製造仕様を探索し取得した。
なお、厚鋼板の製造条件を探索する際、目標とする鋼の化学組成、鋼板の圧延条件は、事前に引張特性、寸法、形状が満たすことができる条件を設定し、溶鋼鋳造速度、鋳造における冷却条件、軽圧下条件、電磁攪拌条件を探索するように設定した。次いで、探索された条件から取得した製造仕様により厚鋼板を製造した。
When manufacturing thick steel plates for welded structures, we optimized the manufacturing specifications for the plates, which relate to their mechanical properties. As a pre-training step, the predictive model was first trained using a regression model on the training data. This model then linked the actual manufacturing specifications for the steel plates, the actual toughness values in the thickness direction, the actual welding specifications, and the actual occurrence of defects in the welds to create a weld defect occurrence prediction model. Using this predictive model, we searched for and obtained the manufacturing specifications for the thick steel plates using Bayesian optimization based on a Gaussian probability distribution, so that the estimated defect occurrence rate in the welds would be within the range of the target defect occurrence rate in the welds, and the toughness in the thickness direction would be improved.
When searching for manufacturing conditions for steel plates, the target chemical composition of the steel and rolling conditions for the steel plates were set in advance so that the tensile properties, dimensions, and shape could be met, and the molten steel casting speed, cooling conditions during casting, soft reduction conditions, and electromagnetic stirring conditions were searched for. Then, steel plates were manufactured according to the manufacturing specifications obtained from the searched conditions.
製造された各厚鋼板の板厚1/4位置から、JIS4号引張試験片を、圧延方向とは垂直方向の幅方向に採取し、JIS Z 2241の規定に準拠して引張試験を実施し引張特性を調査した。 JIS No. 4 tensile test specimens were taken from each manufactured steel plate at a position 1/4 of the plate thickness, in the width direction perpendicular to the rolling direction, and tensile tests were conducted in accordance with the provisions of JIS Z 2241 to investigate the tensile properties.
また、製造された各厚鋼板の板厚1/4位置から、JIS Z 2242の規定に準拠してVノッチシャルピー衝撃試験片を圧延方向に採取し、JIS Z 2242の規定に準拠してシャルピー衝撃試験を実施し、0℃における吸収エネルギー(vE0)を求め母材靱性を評価した。表2で圧延方向靭性の項目欄に試験値を表示した。 In addition, V-notch Charpy impact test specimens were taken from each manufactured steel plate at a position 1/4 of the plate thickness in the rolling direction in accordance with JIS Z 2242. Charpy impact tests were conducted in accordance with JIS Z 2242 to determine the absorbed energy at 0°C (vE0) and evaluate the base material toughness. The test values are shown in the rolling direction toughness column in Table 2.
さらに、製造された各厚鋼板の板厚中央位置から、ノッチ位置が板厚中央となるようにVノッチシャルピー衝撃試験片を板厚方向に採取した。板厚が55mm未満の場合は試験片の両端にダミーの鋼を圧接し、JIS Z 2242の規定に準拠したVノッチシャルピー衝撃試験片を加工した。JIS Z 2242の規定に準拠してシャルピー衝撃試験を実施し、0℃における吸収エネルギー(vE0)を求め母材靱性を評価した。表2で厚さ方向靭性の項目欄に試験値を表示した。
なお、表2の各vE0は、3本の試験片の平均値を表示した。
Furthermore, V-notch Charpy impact test specimens were taken from the center of the thickness of each manufactured thick steel plate in the thickness direction so that the notch was located at the center of the thickness. When the plate thickness was less than 55 mm, dummy steel was pressure-welded to both ends of the test specimen, and a V-notch Charpy impact test specimen was fabricated in accordance with the provisions of JIS Z 2242. A Charpy impact test was conducted in accordance with the provisions of JIS Z 2242, and the absorbed energy (vE0) at 0°C was determined to evaluate the toughness of the base material. The test values are shown in the column for toughness through the thickness in Table 2.
Each vE0 in Table 2 represents the average value of three test pieces.
また、板厚中央の成分濃化度を評価するため、製造された厚鋼板の板幅中央、かつ板厚中央より試験片を採取し、厚鋼板の長手方向と板厚方向が断面となるように試験片を加工した。電子線マイクロアナライザ(EPMA)によって評価し、板厚中央を中心とし、板厚方向5mm×10mmを視野とし、電解研磨後に加速電圧20kV、ビーム形状を長さ20μmの帯状、ステップ20μmの条件で、定められた視野におけるMn濃度を測定した。視野内における250点×500点のうち、Mn濃度が溶鋼(レードル)のMn成分分析値の1.2倍以上となる位置を成分濃化部(介在物含む)と定め、10250点の成分濃化部面積の割合を求めた。 To evaluate the degree of element enrichment at the center of the plate thickness, test specimens were taken from the center of the plate width and thickness of the manufactured thick steel plate and processed so that the cross section was in the longitudinal and thickness directions of the thick steel plate. Evaluation was performed using an electron probe microanalyzer (EPMA). The field of view was set at the center of the plate thickness, with a 5 mm x 10 mm field of view in the plate thickness direction. After electrolytic polishing, the Mn concentration in the specified field of view was measured under conditions of an acceleration voltage of 20 kV, a beam shape of 20 μm length, and a step of 20 μm. Of the 250 x 500 points within the field of view, locations where the Mn concentration was 1.2 times or more the Mn element analysis value of the molten steel (ladle) were defined as element-enriched areas (including inclusions), and the area ratio of the element-enriched areas was calculated for 10,250 points.
また、製造された各厚鋼板から、溶接継手用試験板(幅500×長1000mm)を採取し、図1に示すような開先形状としたサブマージアーク溶接により溶接継手を作製した。なお、入熱量、溶接材料を含む溶接条件は鋼板強度に応じて変更した。
作製された溶接継手は低温割れを評価するため、フランジ側の鋼板をJIS G 0901(2010)に準拠し測定し、最大のエコー高さがDL線未満を『無』、DL線以上DM線未満を『○』、DM線以上DH線未満を『△』、DH線以上を『×』とし、評価した。
Furthermore, test plates for welded joints (500 mm wide x 1000 mm long) were taken from each of the manufactured thick steel plates, and welded joints were produced by submerged arc welding with a groove shape as shown in Figure 1. The welding conditions, including the heat input and welding materials, were changed depending on the strength of the steel plate.
In order to evaluate the cold cracking of the produced welded joints, the steel plate on the flange side was measured in accordance with JIS G 0901 (2010), and the maximum echo height was evaluated as follows: if it was less than the DL line, it was marked "absent", if it was equal to or greater than the DL line but less than the DM line, it was marked "○", if it was equal to or greater than the DM line but less than the DH line, it was marked "△", and if it was equal to or greater than the DH line, it was marked "×".
以上、得られた評価試験の結果を表2に示す。
試験No.9,10,11(比較例)では、板厚方向靭性値が27J未満と予測されるような鋳造条件で製造した厚鋼板の試験結果である。また、試験No.12(比較例)では圧下比(スラブ厚/製品厚)が2.5以上で板厚方向靭性値が27J以上と予測される鋳造条件で製造したのち、製品厚を圧下比が2となるように圧延し製造した条件である。
The results of the evaluation tests obtained above are shown in Table 2.
Test Nos. 9, 10, and 11 (comparative examples) show test results for steel plates produced under casting conditions that predicted a thickness direction toughness value of less than 27 J. Test No. 12 (comparative example) shows conditions in which a steel plate was produced under casting conditions that predicted a thickness direction toughness value of 27 J or more with a reduction ratio (slab thickness/product thickness) of 2.5 or more, and then rolled to a thickness reduction ratio of 2.
試験No.1~8、13~27の発明例では、全て板厚方向靭性値が27J以上を達成し、その後、この厚鋼板をサブマージアーク溶接し、溶接熱影響部の超音波探傷試験で、溶接欠陥は確認されなかった。
一方で、試験No.9~12の比較例では、板厚方向靭性値が27J未満だった厚鋼板をサブマージアーク溶接し、溶接熱影響部の超音波探傷試験で、溶接欠陥が確認された。
In the invention examples of Test Nos. 1 to 8 and 13 to 27, all achieved a thickness direction toughness value of 27 J or more. After that, these steel plates were submerged arc welded, and no welding defects were confirmed in an ultrasonic flaw detection test of the weld heat affected zone.
On the other hand, in the comparative examples of Test Nos. 9 to 12, thick steel plates with a thickness toughness value of less than 27 J were submerged arc welded, and ultrasonic testing of the weld heat affected zone confirmed weld defects.
1 フランジ側鋼板
2 ウエブ側鋼板
3 溶接部
4 当て金
5 板厚中央
6 フランジ側鋼板の板厚方向応力
7 低温割れ
1 Flange side steel plate 2 Web side steel plate 3 Welded portion 4 Backing metal 5 Center of plate thickness 6 Stress in the plate thickness direction of flange side steel plate 7 Cold crack
Claims (2)
C :0.03~0.16%、
Si:0.50%以下、
Mn:0.8~3.0%、
P :0.015%以下、
S :0.0050%以下、
Al:0.005~0.100%、
Ti:0.004~0.030%、
N :0.0015~0.0065%を含有し、
任意選択的に、
Cu:0.01~1.00%、
Ni:0.01~2.50%、
Cr:1.5%以下、
Mo:1.0%以下、
Nb:0.1%以下、
V :0.2%以下、
REM:0.02%以下、
Mg:0.005%以下、
B :0.005%以下、から選択される1または2以上を含有し、
残部がFe及び不可避的不純物からなる成分組成を有する溶接構造物用厚鋼板の製造時に、厚鋼板の製造仕様の実績、厚鋼板の機械的特性値、溶接仕様の実績、及び溶接部の欠陥発生の実績を含む教師データを用いて、事前に機械学習により学習された溶接部欠陥発生予測モデルに基づき、特定の溶接仕様を入力し、溶接部の欠陥発生率が所望の値の範囲内となるように厚鋼板の製造仕様を取得する厚鋼板の製造仕様取得ステップと、前記厚鋼板の製造仕様取得ステップで取得された厚鋼板の製造仕様を用いて厚鋼板を製造する製造ステップと、を有し、
得られた溶接構造物用厚鋼板は、板厚中央部におけるMn成分濃化部の面積割合が3%以下であり、板厚中央位置の板厚方向の試験温度0℃でのシャルピー吸収エネルギーvE0が27J以上であり、降伏強さが325~750N/mm2、及び引張強さが490~930N/mm2で降伏比が90%以下であることを特徴とする溶接構造物用厚鋼板の製造方法。
ここで、Mn成分濃化部とは、板厚中央部を含む分析視野において、質量%で表示する鋼板のMn濃度が質量%で表示するレードルにおける溶鋼のMn成分分析値の1.2倍以上となる領域とし、
溶接部の欠陥発生率における所望の値は、溶接継手のフランジ側の鋼板をJIS G 0901(2010)に準拠し測定し、最大のエコー高さがDL線未満とする。 In mass%,
C: 0.03-0.16%,
Si: 0.50% or less,
Mn: 0.8 to 3.0%,
P: 0.015% or less,
S: 0.0050% or less,
Al: 0.005-0.100%,
Ti: 0.004 to 0.030%,
N: 0.0015 to 0.0065%;
Optionally,
Cu: 0.01 to 1.00%,
Ni: 0.01 to 2.50%,
Cr: 1.5% or less,
Mo: 1.0% or less,
Nb: 0.1% or less,
V: 0.2% or less,
REM: 0.02% or less,
Mg: 0.005% or less,
B: 0.005% or less,
The method comprises a step of acquiring manufacturing specifications for a steel plate for a welded structure, the remaining component of which is Fe and unavoidable impurities, using teacher data including the results of manufacturing specifications for the steel plate, mechanical property values of the steel plate, the results of welding specifications, and the results of defect occurrence in welds, based on a weld defect occurrence prediction model that has been trained in advance by machine learning, and acquiring manufacturing specifications for the steel plate so that the defect occurrence rate in welds falls within a desired value range; and a manufacturing step of manufacturing the steel plate using the manufacturing specifications for the steel plate acquired in the manufacturing specification acquisition step for the steel plate,
The obtained thick steel plate for welded structures is characterized in that the area ratio of the Mn-enriched portion in the center of the plate thickness is 3% or less, the Charpy absorbed energy vE0 at the center of the plate thickness in the plate thickness direction at a test temperature of 0°C is 27 J or more, the yield strength is 325 to 750 N/mm 2 , the tensile strength is 490 to 930 N/mm 2 , and the yield ratio is 90% or less.
Here, the Mn-enriched portion is defined as a region in an analysis field including the central portion of the plate thickness where the Mn concentration of the steel plate, expressed in mass%, is 1.2 times or more the Mn concentration of the molten steel in the ladle, expressed in mass%,
The desired value for the defect occurrence rate of a weld is determined by measuring the steel plate on the flange side of a welded joint in accordance with JIS G 0901 (2010) and setting the maximum echo height to be less than the DL line.
厚鋼板の製造仕様の実績、厚鋼板の機械的特性値、溶接仕様の実績、及び溶接部の欠陥発生の実績を含む教師データを用いて、機械学習により学習し、溶接部の欠陥発生の予測モデルを生成することを特徴とする溶接部欠陥発生予測モデルの生成方法。 A method for generating a weld defect occurrence prediction model during the manufacture of a thick steel plate for a welded structure according to claim 1, comprising:
A method for generating a weld defect occurrence prediction model, characterized by using training data including the results of manufacturing specifications for thick steel plates, mechanical property values of thick steel plates, results of welding specifications, and results of defect occurrence in welds, to learn through machine learning and generate a prediction model for defect occurrence in welds.
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