JP2014008515A

JP2014008515A - 鋼材の溶接接合部

Info

Publication number: JP2014008515A
Application number: JP2012145343A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ito; 浩資伊藤; Koji Fukuda; 浩司福田; Hiromi Hirayama; 博巳平山; Satoshi Kitaoka; 聡北岡
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2014-01-20
Anticipated expiration: 2032-06-28
Also published as: JP5900189B2

Abstract

【課題】溶接させる鋼材の全断面強度以上の継手強度を有し、かつ溶接施工性および経済性に優れ、溶接欠陥や溶接施工不良を防止することのできる鋼材の溶接接合部を提供する。
【解決手段】少なくとも一方の鋼材２に開先を有し、その開先内溶接金属４および開先内溶接金属４に連続する鋼材２の表面に肉盛した略楕円孤状の補強盛開先内溶接金属が溶接される鋼材よりも低強度であり、かつ鋼材の片面のみに補強盛溶接を実施した鋼材の溶接接合部１であって、補強盛溶接金属５の形状が下記条件式を満足するようにした。

t：板厚、a：余盛高さ、l：開先端部から補強盛止端部までの長さ、q：開先角度、_bs_y：鋼材の降伏応力度、_ws_y：溶接金属の降伏応力度
【選択図】図１

Description

本発明は、高張力鋼材の突合せ溶接継手において、溶接する鋼材の全断面強度以上の継手強度を有し、かつ溶接施工性および経済性に優れ、溶接欠陥や溶接施工不良を防止する鋼材の溶接接合部に関するものである。

一般的に、鋼材を突合せて溶接する場合、溶接材料の強度が母材鋼材の強度よりも大きいオーバーマッチング継手が求められる。しかし、高強度鋼材のオーバーマッチング継手を実現するには、コストが高くなり、施工も容易ではないため、母材よりも低強度の溶接材料で溶接する場合がある。

鋼材の溶接継手に関する先行技術文献として、例えば特許文献１がある。

特許文献１には、突合せ溶接すべき両部材の開先内を同部材よりも低強度の材料で溶接すると共に、開先内の溶接金属及び該溶接金属に隣接する該両部材の表面に更に溶接金属を肉盛し、前記開先内の溶接金属とこれに隣接する前記両部材の表面に肉盛された溶接金属とが連続してなる溶接継手が開示されている。

特開昭６０−０２７４７４号公報

従来、鋼材の引張強さが780N/mm²以上の超高張力鋼材の突合せ溶接において、溶接部の強度を鋼材母材と同等以上に確保するためには、専用の溶接材料と余熱や後熱等の特別な溶接施工管理が必要となり、溶接施工性の低下やコストの増大に繋がっていた。

さらに、強度確保の観点から、溶接材料には様々な合金元素が添加されており、鋼材母材に比べ溶接性が悪く、溶接部初層での溶接割れなどの溶接欠陥や溶接不良も課題であった。

特許文献１においては、鋼材母材に対しやや強度の低い溶接材料を用いて、鋼部材の開先内および鋼材の表面に肉盛溶接し、開先内の溶接金属と鋼材表面の溶接金属を連続させる溶接方法を開示している。

しかし、特許文献１に記載された溶接継手では、継手強度補強のために鋼材表面に肉盛溶接金属を設けているが、その形状やサイズが適正でない場合、溶接継手に引張力が生じれば、肉盛溶接部の端部や不連続部へ応力が集中し、早期の溶接部の亀裂発生、ひいては破断の原因となることが考えられる。また、鋼材表面への肉盛溶接は、コスト合理化の観点からも、最小限に留めなければならない。

本発明は、このような課題の解決を図ったものであり、高張力鋼材の突合せ溶接継手において、溶接させる鋼材の全断面強度以上の継手強度を有し、かつ溶接施工性および経済性に優れ、溶接欠陥や溶接施工不良を防止することのできる鋼材の溶接接合部を提供することを目的としたものである。

本発明に係る鋼材の溶接接合部は、少なくとも一方の鋼材に開先を有する鋼材の突合せ溶接継手であって、開先内の溶接金属および、それに連続する鋼材の表面に肉盛した略楕円孤状の補強盛溶接金属が溶接される鋼材よりも低強度であり、かつ鋼材の片面のみに補強盛溶接を実施し、補強盛溶接金属の形状が下記条件式（１）を満足するようにしたことを特徴とするものである。

t：鋼材板厚(mm)
a：補強盛溶接金属の余盛高さ (mm)
l：鋼材の開先端部から補強盛止端部までの長さ (mm)
q：鋼材の材軸と直交する軸と開先がなす角度 (°)
_bs_y：鋼材の降伏応力度 (N/mm²)
_ws_y：開先内溶接金属および補強盛溶接金属の降伏応力度(N/mm²)

本発明は、溶接性および溶接施工性に優れ、鋼材に対し低強度である溶接材料を用い、開先内の溶接および、当該鋼材の表面に鋼材の全断面強度以上の継手強度を確保のための最小限かつ最適な形状である略楕円孤状の補強盛溶接を実施することで、上記の課題を解決したものである。

また、上述の補強盛溶接金属の最適形状は、降伏条件に平面応力状態を仮定した極限解析による数値解析の結果により、図１に示すように開先面の延長線上の点Ｃで互いに接する２つの相似形の楕円孤１、２を包絡する略楕円形状である。なお、前記楕円孤１、２は極限解析の結果より、縦横比が１：3^1/2となる楕円孤である。

楕円孤１は、O (0, 0) を中心とし、下記（２）式で表わされる楕円孤で、継手部に引張力が生じた場合に、開先の角BOCの内部で溶接金属および補強盛溶接金属が直線的に降伏応力度に達する場合の継手強度が、鋼材母材の全断面降伏する場合の強度と等しいという条件から導かれる。

楕円孤２は、E (t, t tanθ)を中心とし、下記（３）式で表わされる楕円孤で、継手部に引張力が生じた場合に、開先面OE上で溶接金属が降伏応力度に達し、さらに点Eから角CEDの内部の補強盛溶接金属が直線的に降伏応力度に達する場合の継手強度が、鋼材母材の全断面降伏する場合の強度と等しいという条件から導かれる。

上記より、鋼材母材と同等以上の強度を溶接継手に担保するためには、前記楕円孤１、２を包絡する略楕円孤BCD以上補強盛溶接を行えばよいことになる。

よって本発明では、鋼材母材と同等以上の強度を溶接継手に確保するのに必要な補強盛溶接金属の最適形状を、鋼材の片面に補強盛を設けた場合は上記条件式（１）を満たす略楕円弧として扱う。

また、開先の両面に補強盛溶接を設ける場合は、補強盛溶接金属の形状が下記条件式（４）を満足するようにしたことを特徴としている。

d’, d”：開先深さ (mm)
a’, a”：補強盛溶接金属の余盛高さ (mm)
l’, l”：鋼材の開先端部から補強盛止端部までの長さ (mm)
q’, q”：鋼材の材軸と直交する軸と開先がなす角度 (°)
_bs_y：鋼材の降伏応力度 (N/mm²)
_ws_y：開先内溶接金属および補強盛溶接金属の降伏応力度(N/mm²)

鋼材の両面に補強盛を設けた場合については上記の条件式（４）を満たす略楕円孤として扱う。

なお、上記条件式（３）、（４）を満たす楕円孤は、厳密には前記略楕円孤BCDの内側を通ることになるが、実際は溶接継手部の鋼材母材による塑性拘束の効果が期待でき、継手強度は数値解析結果よりも上昇するため、継手強度を確保する上では問題ない。

本発明に係る鋼材の溶接接合部において、鋼材は引張強度780N/mm²以上の高強度鋼であることが望ましい。

従来、鋼材の引張強度が780N/mm²以上の超高張力鋼材の突合せ溶接において、溶接部の強度を鋼材母材と同等以上確保するためには、専用の溶接材料と余熱や後熱等の特別な溶接施工管理が必要であり、溶接施工性の低下やコストの増大が問題となっていた。さらに、前記溶接材料には強度確保の観点から、様々な合金元素が添加されており、鋼材母材に比べ溶接性が悪く、溶接欠陥や溶接不良の問題もあった。

そこで、引張強度が780N/mm²以上の高強度鋼材の溶接継手に、本発明の溶接接合部を適用すれば、溶接施工性が良好で、溶接欠陥や溶接不良をなくし、コストを抑えることも可能である。

また、鋼材の開先内溶接金属および補強盛溶接金属は、一体となった１つの溶接ビードにより構成することが望ましい。

例えば、エレクトロガスアーク溶接やサブマージ溶接などの１パス溶接を行う大入熱溶接では、被溶接鋼材の熱影響部（ＨＡＺ）の靭性低下が問題となりやすいが、本発明によれば溶接量の低減に伴い溶接入熱の低減も可能となるため、被溶接鋼材の熱影響部（ＨＡＺ）の靭性の改善効果も期待できる。さらに、上記の1パス溶接では補強盛溶接金属を滑らかな形状に仕上げやすいため、ビード不整を原因とした疲労破壊を生じにくくなる。

本発明に係る鋼材の溶接接合部は、以上のような構成からなり、次のような効果が得られる。

(1) 引張強度が780N/mm²以上の高張力鋼材の溶接継手においては、一般に鋼材母材と同等以上の強度の溶接材料を用いた場合、余熱や後熱等の管理が必要となり溶接施工性の低下や溶接割れなどの溶接欠陥や溶接不良が問題となるが、鋼材母材より低強度の溶接材料を用いた場合、上記の溶接施工性や溶接欠陥や溶接不良は改善される。

(2) 本発明に係る鋼材の溶接接合部を引張強度が780N/mm²以上の高強度鋼材の突合せ溶接継手に適用すれば、溶接量の低減効果は大きい。

(3) 鋼材表面の開先端部のアンダーカット等の溶接欠陥の防止も容易である。なお、アンダーカットの防止のために、必要な鋼材の開先端部から補強盛溶接金属止端部までの長さlは、少なくとも5mm程度以上あればよい。鋼材表面の開先端部のアンダーカット等の溶接欠陥の防止も容易である。

(4) 例えばエレクトロガスアーク溶接やサブマージアーク溶接などの1パス溶接を行う大入熱溶接では、被溶接鋼材の熱影響部(HAZ) の靱性低下が問題となりやすいが、本発明によれば溶接量の低減に伴い溶接入熱の低減も可能となるため、被溶接鋼材の熱影響部(HAZ) の靱性の改善効果も期待できる。

本発明に係る鋼材の溶接接合部の一実施形態を示しており、鋼材の片面に補強盛溶接を実施した場合の断面図である。図１の実施形態を拡大した説明図である。本発明に係る鋼材の溶接接合部の一実施形態を示しており、鋼材の両面に補強盛溶接を実施した場合の断面図である。

以下、本発明の具体的な実施の形態について説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

本発明は、構造部材における鋼材の突合せ溶接継手に適用できる。例えば、鋼板の平継手や、鋼管柱やH形鋼柱の柱継手や、鋼管柱と通しダイアフラムとの接合部や、通しダイアフラムと梁フランジとの接合部などである。

図１、２には、本発明に係る鋼材の溶接接合部１において、鋼材の片面に補強盛溶接を設けた実施例を示している。一方の鋼材２と他方の鋼材３の端部同士を突き合わせて接合したものであり、鋼材２の先端に開先EOAを設けている。開先角度θの開先内溶接金属４の外側には、一方の鋼材２から他方の鋼材３にかけて形成している略楕円弧状BCDに補強盛溶接金属５を設けている。鋼材２の裏面には、裏当金６を溶着している。

楕円弧１は、O（0，0）を中心に下記（５）式で表せる楕円弧である。溶接接合部１に引張力が生じた場合に、開先の角BOCの内部で開先内溶接金属４および補強盛溶接金属５が直線的に降伏応力度に達する場合の継手強度が、鋼材母材の全断面降伏する場合の強度と等しいという条件から導かれた補強盛溶接金属５の必要形状を示している。

t：鋼材板厚(mm)
_bs_y：鋼材の降伏応力度 (N/mm²)
_ws_y：開先内溶接金属および補強盛溶接金属の降伏応力度(N/mm²)

また、楕円弧２は、E（t，t tanθ）を中心に下記（６）式で表せる楕円弧である。溶接接合部１に引張力が生じた場合に、開先面OE上で溶接金属が降伏応力度に達し、さらに点Eから角CEDの内部の補強盛溶接金属が直線的に降伏応力度に達する場合の継手強度が、鋼材母材の全断面降伏する場合の強度と等しいという条件から導かれた補強盛溶接金属の必要形状を示している。

t：鋼材板厚 (mm)
q：鋼材の材軸と直交する軸と開先がなす角度 (°)
_bs_y：鋼材の降伏応力度 (N/mm²)
_ws_y：開先内溶接金属および補強盛溶接金属の降伏応力度(N/mm²)

上記より、鋼材母材と同等以上の強度を溶接継手に担保するためには、楕円孤１、２を包絡する略楕円孤BCD以上補強盛溶接を行えばよいことになる。

よって、鋼材母材と同等以上の強度を溶接継手に確保するのに必要な補強盛溶接金属の最適形状は、鋼材の片面に補強盛を設けた場合は下記条件式（７）を満たす略楕円弧となる。

なお、鋼材の片面に補強盛を設けた場合の条件式（７）を満たす楕円孤は、厳密には前記略楕円孤BCDの内側を通ることになるが、実際は溶接継手部の鋼材母材による塑性拘束の効果が期待でき、継手強度は数値解析結果よりも上昇するため、継手強度を確保する上では問題ない。

また、溶接金属のアンダーカットを防止するために、鋼材の開先端部Ｅから補強盛溶接金属止端部Ｄまでの長さｌは、５ｍｍ以上であることが好ましい。また、初層でのブローホール等の溶接欠陥や割れを防止するため、溶接される鋼材に設けられる開先角度θは３０〜６０°程度がよい。

図３には、本発明に係る鋼材の溶接接合部１において、鋼材の両面に補強盛溶接を設けた実施例を示している。図１、２と同様に、一方の鋼材２と他方の鋼材３の端部同士を突き合わせて接合したものであり、鋼材２に左右で異なる開先角度θ’、θ”の開先を設けて、それぞれ開先内溶接金属４ａ、４ｂと補強盛溶接金属５ａ、５ｂを設けている。上記で述べた楕円弧１、２から算出する方法と同様であり、鋼材の両面に補強盛溶接金属５ａ、５ｂを設けた場合は下記条件式（８）を満たす略楕円孤として扱う。

一般的に、使用する鋼材の強度について、高強度鋼材の溶接接合部では、溶接金属の強度が鋼材母材と同等以上となる溶接材料で溶接すると、余熱等の管理が必要となり、溶接施工性の低下や溶接欠陥、溶接不良などの問題が挙げられる。

そこで、特に本発明を引張強度が780N/mm²以上の高強度鋼材と鋼材母材に対して溶接金属の強度が低強度となる溶接材料からなる溶接接合部に適用すれば、溶接量を抑えながら、溶接施工性の低下や溶接欠陥、溶接不良の問題も同時に解決できるため、極めて有用である。

また、開先内溶接金属および補強盛溶接金属６は複数の溶接ビードで構成されたものでもよく、両者が1つの溶接ビードで構成されていてもよい。

そのため、溶接接合部１の溶接方法は、炭酸（ＣＯ_２）ガスアーク溶接などの多層盛溶接だけでなく、エレクトロガスアーク溶接やサブマージアーク溶接などの１パス溶接を行う大入熱溶接にも用いることができる。溶接接合部１の鋼材２に設ける開先形状は、レ形、V形、K形、X形などが適用できる。

なお、板厚の異なる鋼材の突合せ溶接部を示しているが、本発明は板厚が同じ鋼材の突合せ溶接部にも適用することができる。

１…溶接接合部、
２…鋼材、
３…鋼材、
４、４ａ、４ｂ…開先内溶接金属、
５、５ａ、５ｂ…補強盛溶接金属、
６…裏当材、
ａ、ａ’、ａ”…補強盛高さ、
ｄ’、ｄ”…補強盛高さ、
ｔ…鋼材板厚、
θ、θ’、θ”…開先角度、
ｌ、ｌ’、ｌ”…鋼材の開先端部から補強盛溶接金属の端部までの長さ

Claims

少なくとも一方の鋼材に開先を有する鋼材の突合せ溶接継手であって、前記開先内の溶接金属および、それに連続する前記鋼材の表面に肉盛した略楕円孤状の補強盛溶接金属が溶接される鋼材よりも低強度であり、かつ前記鋼材の片面のみに補強盛溶接を実施し、前記補強盛溶接金属の形状が下記条件を満足するようにしたことを特徴とする鋼材の溶接接合部。

t：鋼材板厚 (mm)
a：補強盛溶接金属の余盛高さ (mm)
l：鋼材の開先端部から補強盛止端部までの長さ (mm)
q：鋼材の材軸と直交する軸と開先がなす角度 (°)
_bs_y：鋼材の降伏応力度 (N/mm²)
_ws_y：開先内溶接金属および補強盛溶接金属の降伏応力度(N/mm²)
少なくとも一方の鋼材に開先を有する鋼材の突合せ溶接継手であって、前記開先内の溶接金属および、それに連続する前記鋼材の表面に肉盛した略楕円孤状の補強盛溶接金属が溶接される鋼材よりも低強度であり、かつ前記鋼材の両面に補強盛溶接を実施し、前記補強盛溶接金属の形状が下記条件を満足するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の鋼材の溶接接合部。

d’, d”：開先深さ (mm)
a’, a”：補強盛溶接金属の余盛高さ (mm)
l’, l”：鋼材の開先端部から補強盛止端部までの長さ (mm)
q’, q”：鋼材の材軸と直交する軸と開先がなす角度 (°)
_bs_y：鋼材の降伏応力度 (N/mm²)
_ws_y：開先内溶接金属および補強盛溶接金属の降伏応力度(N/mm²)
前記鋼材の引張強さが780N/mm²以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼材の溶接接合部。
前記開先内の溶接金属および補強盛溶接金属が１溶接ビードであることを特徴とする請求項１、２または３に記載の鋼材の溶接接合部。