JPS6160751B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は突合せ溶接法に関し、特に応力除去焼
なまし処理後の溶接残留応力を軽減するのに好適
なマルテンサイト系ステンレス鋼の突合せ溶接法
に関する。 鋼構造物の突合せ溶接部には溶接後引張残留応
力が発生し、これを除去するために通常応力除去
焼なまし処理（以下SRと称す）が行なわれる。
しかし溶接部は被溶接材と同等の線膨張係数を有
する溶接材で構成されるため、SR後においても
溶接部の表面には零以上の引張側の応力が残留す
る。この結果溶接部の脆性破壊および疲労に対す
る強度に問題があり、また応力腐食割れが起こり
やすい。 本発明の目的は、SR後において、引張側の応
力を残留させることなく、零以下の圧縮側の応力
を発生させ、これにより溶接部の脆性破壊強度及
び疲労強度を向上させ、また応力腐食割れ性など
を改善させ信頼性および安全性の高い溶接部を製
造できる突合せ溶接法を提供するにある。 本発明は線膨張係数の異なる２つの溶接材にて
溶接部を構成し、これらの組合せによつて圧縮応
力を軽減せしめるようにしたものである。 本発明を図面に基づいて説明すると、第１図は
被溶接材１の板厚を中心として被溶接材よりも線
膨張係数の大きな溶接材２を等量分溶接し、この
両側面を被溶接材と同等の線膨張係数を有する溶
接材３で溶接した突合せ継手を示す。 第１図において、被溶接材１にはSR前、引張
残留応力が発生するが、SR後は圧縮残留応力が
発生する。この機構を次に説明する。SRの冷却
過程において、溶接材２及び溶接材３は収縮変形
するが、この変形は被溶接材１により拘束され
る。ここで溶接材２の線膨張係数は溶接材３のそ
れよりも大きいため、溶接部内の変形は溶接材３
よりも溶接材２によつて支配される。すなわち溶
接材２には被溶接材１による変形拘束によつて引
張応力が発生するが、溶接材３にはこの影響によ
つて逆に圧縮側の応力が引き起こされる。 このようにして溶接材３にはSR後圧縮応力が
発生するが、この値は溶接部を構成する両者の割
合または溶接材の種類による線膨張係数などによ
り相違する。この傾向はＩ型開先形状に限らず、
Ｘ型開先形状、Ｖ型開先形状、Ｋ型開先形状など
による突合せ溶接においても同様である。 本発明において、被溶接材の種類、開先形状な
どを考慮して、線膨張係数の異なる溶接材を選定
し、突合せ面の中間層部に溶接される溶接材（被
溶接材よりも線膨張係数の大きい溶接材）の層厚
を適宜決定することができる。ここに突合せ面の
中間層部の溶接材２の層は、必ずしも板厚を中心
として等量分溶接される必要はない。開先形状等
によつては少なくとも板厚中心部に溶接材２が溶
接されてあれば、層厚及び溶接材３との割合で圧
縮圧力を発生させることができる。 以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳しく
説明する。第２図ａ及びｂはここで用いた溶接継
手の形状寸法を示す。図中、単位はmmである。こ
こではＩ型とＫ型との両者について実施した。い
ずれにおいても被溶接材はマルテンサイト系ステ
ンレス鋼（5Ni−13Cr鋼）で、その板厚は100mm
である。溶接は被覆アーク溶接で、予熱温度150
℃、パス間温度150℃、入熱量18000J／cmの条件
で行なつた。Ｋ型（第２図ｂ）では先ずオーステ
ナイト系溶接材を板厚を中心として両側に同じ高
さに積層した後、被溶接材と共金のマルテンサイ
ト系溶接材を板の表と裏にオーステナイト系溶接
材を包含するようにして行なつた。しかしＩ型で
はこれができないので、裏当金をおきマルテンサ
イト系溶接材を積層し、その上にオーステナイト
系溶接材を板厚を中心として同じ高さに積層した
のち、マルテンサイト系溶接材を積層するという
方法によつた。 ここで板厚に対するオーステナイト系溶接材の
高さは０、20、40、60、80及び100（％）と変え
た。０（％）は溶接部をマルテンサイト系溶接材
でのみ溶接した場合であり、100（％）はオース
テナイト系溶接材でのみ溶接した場合である。 第１表及び第２表は突合わせ溶接継手を構成す
る各材料の化学成分、線膨張係数、降伏強さ及び
引張強さなどを示す。

【表】

【表】

【表】 上記のようにして作製した突合わせ溶接継手は
溶接後600℃で3hrのSR処理を行なつた。その
後、溶接材３の表面における残留応力を抵抗線ひ
ずみゲージを用いて測定した。 第３図ａ及びｂはその結果を示す。図ａがＩ
型、図ｂがＫ型の場合の結果である。縦軸は残留
応力の値を、横軸は板厚を中心として積層したオ
ーステナイト系溶接材２の高さを板厚で割つた値
の百分率（ｈ／ｔ×100）（％）で示す。これよりｈ／
ｔ× 100（％）の値はＩ型の場合は20％以上、Ｋ型の
場合、45％以上で圧縮の残留応力が発生すること
がわかる。ｈ／ｔ×100（％）は大きくなるにつれ て、発生する応力の値が大きくなることもわか
る。本図には有限要素法により熱弾塑性解析で計
算した値を破線で示した。実験値は計算値とよく
一致している。また本発明はＩ型とＫ型とで溶接
施工手順が異なつているが、いずれも有効である
ことがわかつた。 なおＩ型とＫ型とで圧縮残留応力が発生する場
合のｈ／ｔ×100（％）の値が異なる。これは溶接部 に支める圧縮残留応力の発生に支配的なオーステ
ナイト系溶接材の大きさが異なるためである。す
なわちｈ／ｔ×100（％）の値が同じ場合、Ｉ型の方 がＫ型より溶接部に支めるオーステナイト系溶接
材の面積が大きいので発生する残留応力も大き
い。 次に第２図ａ，ｂの開先形状寸法をもつ突合わ
せ溶接において、さらに被溶接材としてインコネ
ル及び炭素鋼を用いた場合について確性試験を行
つた。 溶接は室温で、入熱量は15000J／cmで、手溶接
で行つた。これは先ずオーステナイト系溶接材
（第１表）を板厚を中心として両側に同じ高さに
積層したのち被溶接材と同等の線膨張係数を有す
るマルテンサイト系溶接材（第１表参考）を板の
表と裏にオーステナイト系溶接材を包含するよう
にして行つた。ここで板厚に対するオーステナイ
ト系溶接材の高さは、第２図のａでは20％、ｂで
は40％とした。 溶接後、600℃で3hrのSR処理を行ない、その
後、板の表、裏両面について、抵抗線ひずみゲー
ジで残留応力を測定した。第３表及び第４表はこ
れら材料の化学成分と機械的性質を示す。

【表】

【表】

【表】 第５表は残留応力の測定結果を示す。第３表に
おいて、開先形状がＩ型の場合、オーステナイト
系溶接材を20％、Ｋ型の場合オーステナイト系溶
接材を40％積層すれば、零以下の圧縮側の残留応
力が発生することを示している。

【表】 高さ
このようにして溶接部に圧縮残留応力が発生す
ると、例えば溶接止端などの応力集中部またはア
ンダビードクラツクなどのき裂部に圧縮残留応力
が、集中し、このような欠陥の開口部を閉じる方
向に動く。 以上本発明によると、脆性破壊及び疲労に対す
る強度が向上し、また応力腐食割れ性も改善され
る。すなわち本発明は溶接構造物の安全性及び信
頼性の向上に大きく寄与する。

【図面の簡単な説明】

第１図は突合せ溶接継手の一例を示す断面構成
図、第２図は本発明の実施例に供した継手の開先
形状及び寸法を示す説明図であり、第２図ａはＩ
型開先形状及び寸法、第２図ｂはＫ型開先形状及
び寸法、第３図はオーステナイト系溶接材の板厚
を中心とする層厚と残留応力との関係を示すグラ
フであり、第３図ａはＩ型開先、第３図ｂはＫ型
開先の場合をそれぞれ示すものである。 １……被溶接材、２……被溶接材の熱膨脹係数
より大きいそれを有する溶接材、３……被溶接材
の熱膨脹係数と同等のそれを有する溶接材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被溶接材の突合せ溶接法において、前記被溶
   接材より線膨張係数の大きい溶接材で被溶接材の
   突合せ面の中間層部を突合せ溶接し、この溶接部
   分の裏と表の外層側を前記被溶接材と同等の線膨
   張係数を有する溶接材で溶接することを特徴とす
   る突合せ溶接法。