JPH08246063A

JPH08246063A - 高疲労強度溶接継手の製造方法

Info

Publication number: JPH08246063A
Application number: JP4702795A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Kurebayashi; 勝己榑林; Shuji Aihara; 周二粟飯原; Hidesato Mabuchi; 秀里間渕
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-03-07
Filing date: 1995-03-07
Publication date: 1996-09-24

Abstract

(57)【要約】【目的】ＨＡＺ組織と溶接残留応力を制御することに
より、溶接したままで疲労強度が優れた溶接継手の製造
方法を提供する。【構成】炭素当量が０．１５〜０．２７５の鋼板を用
いて、溶接入熱が１．５〜５．０ＭＪ／ｍで溶接するこ
とにより、ＨＡＺにおけるフェライト組織の体積率が２
０〜１００％で、残部がベイナイト組織、マルテンサイ
ト組織、パーライト組織、および残留オーステナイト組
織の１種または２種以上からなる溶接継手を得るか、あ
るいは、さらに鋼板の板厚Ｔ（ｍ）、降伏応力σ_Y（Ｍ
Ｐａ）、溶接時の溶接入熱Ｑ（ＭＪ／ｍ）の関係を０．
０１≦Ｔ・（σ_Y／Ｑ）^1/2≦０．４０の範囲に限定す
ることにより、ＨＡＺにおける疲労き裂の発生や伝播を
抑制して、溶接したままで溶接継手の疲労強度を向上さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、おもに船舶、海洋構造
物、橋梁、建設機械などの溶接構造物に用いられる疲労
強度を向上させた溶接継手の製造方法に関するものであ
り、さらに詳しくは、溶接継手の溶接熱影響部（以下、
ＨｅａｔＡｆｆｅｃｔｅｄＺｏｎｅ：ＨＡＺと記
す）において、疲労き裂の伝播速度を遅くすることが可
能なフェライト組織の体積率を高くし、あるいは、さら
に溶接残留応力を低減することにより、溶接したままで
疲労強度を向上させた溶接継手の製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】構造物の大型化にともない、構造部材の
重量低減が近年の重要な課題となっており、これを実現
するために構造物に使用される鋼の高張力化が進んでい
る。しかしながら、船舶、海洋構造物、橋梁、建設機械
などでは使用期間中に繰り返し荷重を受けるために、こ
のような構造物においては疲労破壊を防止するための配
慮が必要である。疲労破壊が最も発生し易い部位は溶接
継手部であることから、溶接継手の疲労強度を向上する
ことが求められている。

【０００３】これまでに、溶接継手の疲労強度支配要因
と疲労強度改善に関する膨大な研究がなされており、溶
接継手の疲労強度改善は、グラインダー研削や溶接ビー
ド最終層を加熱・再溶融により止端部形状を整形するな
どの溶接止端部の形状改善によるもの、ショットピーニ
ング処理などの溶接止端部圧縮応力生成によるものな
ど、溶接後の付加的な施工による改善がほとんどであっ
た（特開昭５９−１１０４９０号公報、特開平１−３０
１８２３号公報など）。また、溶接後熱処理による残留
応力低減効果も従来からよく知られている。

【０００４】一方、上記のような特殊な施工や溶接後熱
処理を用いず、溶接したままでも鋼材の成分によって、
溶接部の疲労強度を改善する方法も提案されている。特
開平３−２６４６４５号公報では、Ｓｉにより清浄なポ
リゴナルフェライト形成を有利にし、Ｂにより鋼を強化
し、焼入れ性を向上することにより、良好な伸びフラン
ジ性、疲労特性、抵抗溶接性を得ることを目的として、
Ｃ：０．０１〜０．２％、Ｍｎ：０．６〜２．５％、Ｓ
ｉ：０．０２〜１．５％、および、Ｂ：０．０００５〜
０．１％等からなる、伸びフランジ性等に優れた高強度
鋼板が開示されている。

【０００５】特公平３−５６３０１号公報では、Ｂ等の
添加により、鋼中成分と鋼板中の未再結晶組織の割合に
工夫を加えることにより、スポット溶接部の継手疲労強
度の有利な改善を図ることを目的として、Ｃ：０．００
６％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ａｌ：０．０５％以
下、および、窒化物、硫化物は不算入としたＴｉ及び／
またはＮｂの１種または２種合計：０．００１〜０．１
００％等からなる、スポット溶接性の良好な極低炭素鋼
板が登録されている。

【０００６】特開平６−２０７２４５号公報では、鋼材
表層へのＮｉの添加により、溶接止端部に圧縮の残留応
力を発生せしめ、疲労き裂発生までの寿命を増大させる
ことを目的として、鋼板の表裏面からそれぞれ０．２ｍ
ｍ以上でかつ板厚の２５％以下の領域におけるＮｉの添
加量が３％以上であることからなる、疲労特性の優れた
複層鋼板が開示されている。

【０００７】特開平６−２２８７０７号公報では、Ｃｅ
ｑを低くしながらＣｕの微細析出を用いて、溶接止端部
近傍の硬度分布を均一にすることにより塑性変形の集中
を防ぎ、かつ低Ｃｅｑ化によりＨＡＺ硬化をなくすこと
により、平均応力として作用する溶接止端部の残留応力
を低減させることを目的として、Ｃ：０．００１〜０．
０１％、Ｓｉ：０．００５〜０．０５％、Ｃｕ：０．５
〜２％で、Ｃｅｑが０．２以下であることからなる、溶
接継手疲労特性の優れた構造用鋼及びその溶接方法が開
示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】これらのうち、特開昭
５９−１１０４９０号公報、および、特開平１−３０１
８２３号公報は、溶接後に特殊な施工をする必要があ
り、溶接のままで疲労強度を改善することは出来ない。
溶接後熱処理による方法も、工程が増加し溶接施工が煩
雑となるため好ましくない。また、その効果も限られた
ものである。特開平３−２６４６４５号公報に示されて
いる薄鋼板は、用途が主に自動車用ホイールやディスク
の母材に関するものであって、本発明の対象とする造
船、海洋構造物で用いられる鋼板とは用途、板厚、使用
方法が全く異なるものであるため、ここでの知見をその
まま厚鋼板に適用することは出来ない。さらに、溶接継
手に関する記載はないため、溶接継手の疲労強度に及ぼ
す影響については何ら検討されていない。また、母材に
含有するとされるポリゴナル・フェライト組織がＨＡＺ
に生成するかどうかは不明である。

【０００９】特公平３−５６３０１号公報に示されてい
る鋼板は、極低炭素鋼板のスポット溶接部に関するもの
で、スポット溶接部の硬度分布を制御しようとするもの
であるが、スポット溶接は抵抗溶接法の１種であり、鋼
板の溶接部を電極で加圧して挟み込み、大電流を短時間
に流すことにより行われるが、本願の対象とする溶接継
手の溶接方法は板厚が厚い鋼板の溶接で使用される溶接
方法が主体であり、溶接残留応力だけでなく、電極形
状、溶接材料の有無、溶接条件、などの溶接方法も異な
り、薄板のスポット溶接と厚い鋼板の溶接では疲労強度
の支配要因が異なるため、スポット溶接での知見をその
まま適応することは出来ない。

【００１０】特開平６−２０７２４５号公報に示されて
いる鋼板は、構造用鋼であるため用途は同じであるが、
Ｎｉを含有する複層鋼に限定したものであり、通常の単
層鋼で、疲労強度を向上させることは出来ない。また、
溶接継手の疲労強度が向上するかどうかは不明である。
特開平６−２２８７０７号公報に示されている発明で
は、溶接継手のＨＡＺ組織に関する記載はなく、ミクロ
組織と疲労強度の関係は不明であり、本発明とは異な
る。また、鋼板のＣ添加量が０．０１％以下、Ｓｉ添加
量が０．０５％以下と非常に少なく、また、Ｃｕ添加が
必須である点でも、本発明の請求範囲とは異なる。

【００１１】本発明は、溶接後に応力集中を低減するた
めの付加的な溶接施工を実施することによる疲労強度改
善ではなく、溶接継手のＨＡＺにおいて、疲労き裂の伝
播速度を遅くすることが可能なフェライト組織の体積率
を高くし、あるいは、さらに溶接残留応力を低減するこ
とにより、溶接したままで疲労強度を向上させた溶接継
手の製造方法を提示することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの本発明の主要原理は以下のように総括できる。（１）溶接継手のＨＡＺにおいて、疲労き裂の伝播速度
を遅くすることが可能なフェライト組織の体積率を高く
するために、鋼板の化学成分、炭素当量、溶接入熱を限
定することにより、溶接継手の疲労強度を向上させる。（２）溶接継手のＨＡＺにおけるき裂伝播速度を（１）
よりさらに遅くするために、溶接継手に用いる鋼板の板
厚、降伏応力および溶接時の溶接入熱の関係を限定して
溶接残留応力を低減することにより、溶接継手の疲労強
度を向上させる。

【００１３】本発明は上記（１）の効果により、疲労強
度を向上させた溶接継手の製造方法であり、さらに
（２）を組み合わせた場合に、より高い疲労強度を達成
させることが出来る。即ち、本発明の要旨とするところ
は、（１）重量％で、Ｃ：０．０１５〜０．１５％、Ｓ
ｉ：０．０６〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｐ
：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ａｌ：
０．００１〜０．０８％を含有し、残部が鉄および不可
避的不純物元素よりなり、かつ炭素当量が０．１５〜
０．２７５である鋼板を、溶接入熱が１．５〜５．０Ｍ
Ｊ／ｍで溶接し、溶接継手の溶接熱影響部におけるフェ
ライト組織の体積率が、２０〜１００％で、残部がベイ
ナイト組織、マルテンサイト組織、パーライト組織、お
よび残留オーステナイト組織の１種または２種以上から
なる溶接継手を得ることを特徴とする高疲労強度溶接継
手の製造方法。ここで、炭素当量（Ｃｅｑ）は、Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ
＋Ｍｏ＋Ｖ）／５＋Ｎｂ／３とし、溶接入熱（Ｑ（ＭＪ／ｍ））は、Ｑ＝６０・Ｉ・Ｖ／Ｃ／１０⁶ ただし、Ｉ：溶接電流（Ａ）、Ｖ：溶接電圧（Ｖ）、
Ｃ：溶接速度（m/min)とする。

【００１４】（２）鋼板がさらに重量％で、Ｃｕ：０．
１〜２．０％、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．０
５〜１．０％、Ｍｏ：０．０２〜１．０％、Ｎｂ：０．
００５〜０．１０％、Ｖ：０．００５〜０．１０％の
１種または２種以上を含有することを特徴とする、前記
（１）に記載の高疲労強度溶接継手の製造方法。

【００１５】（３）鋼板の板厚、降伏応力、および溶接
時の溶接入熱が下式の関係を満たすことを特徴とする、
前記（１）または前記（２）に記載の高疲労強度溶接継
手の製造方法。０．０１≦Ｔ・（σ_Y／Ｑ）^1/2≦０．４０ここで、Ｔ：板厚（ｍ）、σ_Y：鋼板の降伏応力（ＭＰ
ａ）とする、にある。

【００１６】

【作用】以下の（１）〜（２）に、本発明の技術的思想
と限定理由について詳細に述べる。（１）まず、溶接継手のＨＡＺにおけるミクロ組織を限
定した理由を述べる。本発明者らは溶接継手の疲労強度
向上に対するＨＡＺの重要性を検討した。一般に、溶接
構造物の疲労破壊は構造的な応力集中を有する溶接継手
部で発生する。溶接欠陥や鋼板の疵等のない正常な溶接
継手部では、局所的な応力集中を有する母材と溶接金属
の境界部にあたるＨＡＺから疲労き裂が発生し、ＨＡＺ
内を伝播した後、母材へ伝播して、最終的に構造物の機
能を損なう破壊へ至る場合が多い。

【００１７】そこで、ＨＡＺにおける疲労き裂の発生伝
播寿命が全破断寿命に占める割合を調査した。試験には
構造物で多く使用される溶接継手である、Ｔ型隅肉溶接
継手、十字隅肉溶接継手、廻し隅肉溶接継手の３つの継
手を用いた。母材と溶接金属の境界部から母材側に５〜
１０ｍｍ（継手の種類による）離れた位置に歪ゲージを
貼って、繰り返し負荷中の歪の値を測定した場合、試験
開始時よりも歪の値が５％低下した時の繰り返し数は、
疲労き裂の先端がＨＡＺを通過して、母材に達する繰り
返し数とほぼ一致するため、この繰り返し数をＨＡＺに
おける疲労き裂の発生伝播寿命とした。溶接継手疲労試
験の結果、最終的に破断に至るまでの全寿命に対するＨ
ＡＺにおける疲労き裂の発生伝播寿命の割合は、Ｔ型隅
肉溶接継手では約７０％、十字隅肉溶接継手では約３０
％、角廻し隅肉溶接継手では約４０％であった。

【００１８】したがって、全疲労寿命に対する疲労き裂
の発生寿命はかなりの割合を占めることが上記の試験で
明らかになる一方、一旦き裂が伝播を開始するとその抑
制は非常に困難であることから、溶接継手の疲労強度を
向上させるためにはＨＡＺにおける疲労き裂の発生を困
難にするか、あるいは疲労き裂が発生してもＨＡＺにお
ける疲労き裂の伝播を極力遅くさせることが有効な手段
と考えられる。また、本発明者らはＨＡＺのミクロ組織
と疲労強度に関する検討を行い、以下に示す重要な知見
を得た。

【００１９】一般に、船舶、海洋構造物、橋梁、建設機
械分野で使用されている鋼板のＨＡＺ組織は、引張強度
が４００〜５８０ＭＰａ級の場合ではベイナイト組織、
引張強度が５８０ＭＰａを越える場合はベイナイト組織
あるいはマルテンサイト組織が主体となる。鋼板の成分
や熱処理によってはこれらのミクロ組織に加えて、パー
ライト組織や残留オーステナイト組織が含まれる場合も
ある。ＨＡＺ組織は母材組織の影響はあまり受けず、む
しろ鋼板の成分と溶接時の冷却速度で決まるため、一般
に使用されている４００ＭＰａ級の溶接構造用軟鋼（例
えば０．１４％Ｃ−０．２％Ｓｉ−０．９％Ｍｎ）でさ
えも、５．０ＭＪ／ｍ以下の通常の溶接条件では、焼き
入れ性の指標である炭素当量が高いため、ＨＡＺがフェ
ライト組織主体となることはほとんどない。

【００２０】本発明者らは、溶接継手の疲労強度を検討
するにあたって、それぞれのミクロ組織のＨＡＺにおけ
る疲労き裂伝播速度を調査する必要があると考えた。応
力集中係数や残留応力などの力学的な要因の影響を受け
ず、同一の力学条件でミクロ組織の影響を調査するた
め、小型再現ＨＡＺ試験片により、き裂伝播試験を実施
した。溶接再現熱サイクル条件は最高加熱温度を１４０
０℃、８００℃〜５００℃の冷却時間を１秒〜１６１秒
とし、化学成分と冷却速度の違いによりフェライト組
織、ベイナイト組織、マルテンサイト組織を再現した。
試験は６ｍｍ長の鋭い切欠をつけた２０×１０×１００
ｍｍの３点曲げき裂伝播試験片を用いて、応力比は０．
１、き裂開口変位をクリップ・ゲージを用いて測定し、
き裂長さをコンプライアンス法により算出した。

【００２１】き裂伝播試験の結果、ＨＡＺがフェライト
組織の場合の疲労き裂の伝播寿命は、ＨＡＺがベイナイ
ト組織やマルテンサイト組織の場合よりも２倍以上向上
した。応力拡大係数範囲とき裂伝播速度を観察すると、
き裂長さが既に長く応力拡大係数範囲が高い場合はミク
ロ組織の違いによる差は見られなかったが、まだき裂長
さが短く応力拡大係数範囲が低い場合にはミクロ組織に
よる差が現れ、ＨＡＺにおけるフェライト組織の体積率
が高い場合に顕著にき裂伝播速度が低下した。ここで、
ミクロ組織の体積率は切断・研磨した面を光学顕微鏡で
観察して、各ミクロ組織の割合をポイント・カウンティ
ング法により測定した値を用いた。

【００２２】さらに、図１にＨＡＺのベイナイト組織体
積率が９８％のＨＡＺベイナイト鋼と、フェライト組織
体積率が８８％のＨＡＺフェライト鋼における、き裂開
口変位と荷重の変化を詳細に観察した結果を示す。フェ
ライト組織の割合が高いと顕著なき裂の閉口が観察され
た。これは、最大荷重時に疲労き裂の先端が降伏点を越
えて塑性変形し、最少荷重になる前に疲労き裂の先端が
閉じてしまう現象である。フェライト組織は他の組織と
比べて、転位強化の割合が少なく非常に軟質で塑性変形
が容易であるために、き裂閉口が起こりやすいと考えら
れる。このき裂閉口が起こると、疲労き裂の先端が閉じ
ている時は疲労き裂の伝播は起こらず、疲労き裂の伝播
に有効な応力範囲は減少するために、ＨＡＺがフェライ
ト組織の場合にＨＡＺにおける伝播寿命が向上したもの
と考えられる。

【００２３】従って、溶接継手のＨＡＺにおいて、疲労
き裂の伝播速度を遅くすることが可能なフェライト組織
の体積率を高くすることにより、溶接継手の疲労強度を
向上させることができる。ただし、ベイナイト組織の粒
界に２０％未満の体積率で生成する粒界フェライトは、
フェライト組織が含まれているとはいっても疲労き裂が
粒界フェライトから容易に発生するため、伝播を遅くさ
せても疲労強度は向上しない。また、ＨＡＺのフェライ
ト組織の体積率が２０％未満では、疲労き裂の閉口が起
こってもその効果は非常に小さいため、疲労強度の向上
は期待できないため、その下限値を２０％とした。ま
た、ＨＡＺにおいて、フェライト組織の体積率が２０％
以上であれば、ベイナイト、マルテンサイト、パーライ
ト、および残留オーステナイト組織を含有しても問題は
ない。さらに、安定して疲労強度を向上させるために
は、ＨＡＺのフェライト組織の体積率を６０％以上にす
ることが望ましく、最高で１００％となることから、そ
の上限値を１００％とした。

【００２４】次に、溶接継手に使用する鋼板の化学成分
を限定した理由を述べる。まず、鋼板の基本的な化学成
分を限定した理由について述べる。Ｃは、母材強度を上
昇させる元素であり、母材強度上昇のためには多量に添
加することが望ましい。しかしながら、０．１５％超の
Ｃの添加は、焼き入れ性が高くなりすぎて、ＨＡＺにお
けるフェライト組織が得られなくなるとともに、溶接性
や溶接部の靱性を低下させる。従って、Ｃの上限を０．
１５％とした。また、Ｃが０．０１５％未満では構造用
鋼としての母材強度の確保が困難になるため、Ｃの下限
値を０．０１５％とした。

【００２５】Ｓｉは、溶製時の脱酸に必要な元素であ
り、適量添加するとマトリックスを固溶強化する。Ｓｉ
が０．０６％未満では、溶製時の脱酸効果が減少するた
め、下限値を０．０６％とした。さらに、固溶強化の効
果を期待する場合には、０．６％以上の添加が必要であ
る。一方、Ｓｉを２．０％超添加すると、焼入れ性が高
くなるだけでなく、靱性も低下する。従って、上限値を
２．０％とした。Ｍｎは、靱性をあまり低下させること
なく母材強度を上昇させる元素である。Ｍｎが０．２％
未満では十分な母材強度が得られず、Ｓ脆化が起こりや
すくなるため、下限値を０．２％とした。また、１．５
％超のＭｎを含有すると、焼き入れ性が高くなりすぎ
て、ＨＡＺにおけるフェライト組織が得られなくなると
ともに、溶接部の組織溶接部の靱性が低下し、溶接性、
延性も劣化するため、上限値を１．５％とした。

【００２６】Ｐは、少ないほど好ましく、０．０５％超
添加すると母材の粒界に偏析して粒界脆化するためにＨ
ＡＺの靱性が低下する。よって上限値を０．０５％とし
た。Ｓは、低いほど好ましく、０．０５％超含有すると
Ａ系介在物が顕著となり、母材と溶接部の靱性を害し、
板厚方向の延性も低下させる。従って、上限値を０．０
５％とした。Ａｌは、脱酸元素として必要で、０．００
１％以上添加しないと、脱酸作用を期待できない。一
方、０．０８％超添加すると、Ａｌ酸化物や窒化物が多
量に生成して、溶接部の靱性を劣化させる。従って、下
限値を０．００１％、上限値を０．０８％とした。

【００２７】本発明においては、上記の元素に加えて次
のような元素を鋼板に含んでもよく、以下に化学成分を
限定した理由について述べる。Ｃｕは、母材強度を向上
させる効果があり、さらに炭化物は生成しないが固溶強
化により疲労強度を向上させる。０．１％以上添加しな
いとその効果はなく、２．０％超添加すると、スラブの
凝固割れの原因になるため、下限値を０．１％、上限値
を２．０％とした。Ｎｉは、母材強度を上げるだけでな
く、靱性を大幅に向上させる。その効果が得られる添加
量として、下限値を０．１％とした。また、２．０％超
添加してもその効果は飽和するため、上限値を２．０％
とした。

【００２８】Ｃｒは、母材強度ならびに靱性を向上させ
る効果があり、炭化物や窒化物を生成してＨＡＺ組織を
強化する効果があり、疲労強度も向上させる。これらの
効果を得るには、０．０５％の添加が必要である。ま
た、１．０％超添加してもその効果は飽和し、逆に溶接
性が損なわれる。そのため、下限値を０．０５％、上限
値を１．０％とした。Ｍｏは、母材強度を向上させるだ
けでなく靱性も向上させる効果があり、炭化物や窒化物
を生成する点で、Ｃｒと同様の作用をする。その効果が
現れる添加量として下限値を０．０２％とし、その効果
が飽和する添加量として、上限値を１．０％とした。

【００２９】Ｎｂは、母材強度上昇に効果を有する元素
であり、さらに、鋼板製造時にＴＭＣＰプロセスが適用
される場合には圧延中の最結晶を抑制するために０．０
０５％以上添加する必要がある。しかしながら、Ｎｂを
多量に含有すると溶接部の靱性を低下させる。従って、
Ｎｂの上限値を０．１０％とした。Ｖは、炭化物を形成
して母材の強度向上と細粒化に効果がある。Ｖ量が０．
００５％未満では、この効果が顕著でないので、下限値
を０．００５％とした。逆に、０．１０％超添加する
と、ＨＡＺの焼き入れ性が高くなりすぎて、フェライト
組織の体積率が減少するため、上限値を０．１０％とし
た。

【００３０】さらに、鋼板の炭素当量、および溶接時の
溶接入熱を限定した理由を述べる。溶接時の冷却速度が
同じ場合、ＨＡＺ組織と鋼板の成分の関係はＩＩＷで提
案されている炭素当量（Ｃｅｑ）の式を用いることによ
り表すことができる。また、ＮｂもＨＡＺ組織に影響を
及ぼすことが知られており、ＩＩＷの炭素当量の式にＮ
ｂの効果を考慮した式は、Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ
＋Ｍｏ＋Ｖ）／５＋Ｎｂ／３とすることが出来る。炭素当量が０．１５未満の場合は
構造用鋼に使用するのに必要な母材強度を確保するのが
困難となるため、その下限値を０．１５とした。一方、
従来の鋼材のように炭素当量が０．２７５を超える場合
には、ＨＡＺ組織はベイナイト組織あるいはマルテンサ
イト組織となるため、フェライト組織を得ることは困難
であることから、炭素当量の上限値を０．２７５とし
た。

【００３１】しかし、前述したように、ＨＡＺ組織は炭
素当量以外に、溶接時の冷却速度の影響も受ける。冷却
速度は、溶接方法、予熱温度、継手の形状等だけでな
く、鋼板の板厚、溶接入熱の影響を受けることが知られ
ている。例えば、ＣＯ₂ガスを用いたＭＡＧ溶接により
予熱無しでＴ型隅肉溶接継手を作成する場合には、８０
０℃から５００℃までの冷却速度Δｔ_8/5は、鋼板の板
厚をｄ（ｍ）、溶接入熱をＱ（ＭＪ／ｍ）とすれば、 Δｔ_8/5＝（１０×Ｑ）^1.7／１．８８７×１０⁶［１
＋（２／π) tan^-1｛（１０００×ｄ−１３）／３．
５｝］で表される。

【００３２】溶接構造物で溶接継手の疲労強度が問題と
なるのは、主に板厚が６ｍｍから３０ｍｍ程度の鋼板が
多い。これらの板厚範囲で冷却速度を検討した場合、溶
接入熱が１．５ＭＪ／ｍ未満の場合には、冷却速度が速
くなるため、ＨＡＺにおけるベイナイト組織の体積率が
増加し、フェライト組織を得ることは困難となることか
ら、溶接入熱の下限値を１．５ＭＪ／ｍとした。一方、
溶接入熱が大きいと冷却速度は遅くなり、フェライト組
織を得ることは容易になり、疲労強度の面からは溶接入
熱が大きいほど望ましい。しかし、オーステナイトが粗
大化するため溶接部の靱性を確保することが困難とな
る。溶接部の靱性が低下するのは溶接入熱が５．０ＭＪ
／ｍ超の場合であることから、溶接入熱の上限値を５．
０ＭＪ／ｍとした。以上の技術的思想に基づき、本発明
は溶接継手のＨＡＺにおけるフェライト組織の体積率を
高くするために、鋼板の化学成分、炭素当量、および溶
接時の溶接入熱を限定することにより、溶接継手の疲労
強度を向上させるものである。

【００３３】（２）次に、鋼板の板厚、降伏応力および
溶接時の溶接入熱の関係を限定した理由を述べる。溶接
継手の疲労強度を向上させるためには、ＨＡＺにおける
疲労き裂の閉口の利用が必須であることをこれまで述べ
てきた。従って、き裂閉口が起こらなければ、ＨＡＺを
フェライト組織にしても疲労強度は向上しないため、き
裂閉口が起こる条件を明らかにする必要がある。そこ
で、本発明者らは、き裂閉口と溶接残留応力の関係を検
討した。溶接残留応力が疲労強度に及ぼす効果は平均応
力として作用すると考えられ、例えば、引張の溶接残留
応力は平均応力を高くし、応力比を高くするのと同等の
効果を有すると見なすことができる。そこで、高い溶接
残留応力があることを想定して、上記の疲労き裂伝播試
験で０．１であった応力比を０．６にして疲労試験を行
うと、ＨＡＺがフェライト組織であってもき裂閉口が観
察されなかった。

【００３４】従って、ＨＡＺをフェライト組織にすれ
ば、引張の溶接残留応力があまり高くない場合や圧縮の
溶接残留応力が作用している場合には疲労強度を向上で
きるが、引張の残留応力が高い場合や、あるいはさらに
疲労強度を向上させる場合には、溶接残留応力を低減さ
せる必要があることが明らかとなった。溶接残留応力
は、溶接継手に用いる板厚Ｔ（ｍ）、降伏応力σ_Y（Ｍ
Ｐａ）、および溶接時の溶接入熱Ｑ（ＭＪ／ｍ）を用い
てＴ・（σ_Y／Ｑ）^1/2 で表される無次元量により、等価に評価できることが知
られている（松岡、日本造船学会論文集、第１６８号、
１９９０年）。

【００３５】そこで、疲労強度が問題となる６〜３０ｍ
ｍ程度の板厚の溶接継手について、Ｔ・（σ_Y／Ｑ）
^1/2の値と溶接残留応力の関係を検討した。Ｔ・／（σ
_Y／Ｑ）^1/2の値が低い場合は溶接残留応力は少なく、
疲労強度に及ぼす影響は少ないが、計算上でＴ・（σ_Y
／Ｑ）^1/2の値が最も低くなるのは、０．０１であるこ
とから、この下限値を０．０１とした。また、Ｔ・（σ
_Y／Ｑ）^1/2の値が高くなると、Ｔ字溶接継手と十字溶
接継手では異なるが、溶接残留応力は上昇する傾向があ
り、Ｔ・（σ_Y／Ｑ）^1/2の値が０．４０を超えると疲
労き裂の閉口は期待できなくなるため、その上限値を
０．４０とした。

【００３６】以上の技術的思想に基づき、本発明は溶接
継手のＨＡＺにおけるき裂伝播速度を（１）よりもさら
に遅くするために、溶接継手に用いる鋼板の板厚、降伏
応力および溶接時の溶接入熱の関係を限定して溶接残留
応力を低減することにより、溶接継手の疲労強度をさら
に向上させるものである。また、本発明はＴ字隅肉溶接
継手のような、圧縮の溶接残留応力によりき裂閉口が起
こりやすい溶接継手で特に有効であるが、十字隅肉溶接
継手、廻し隅肉溶接継手、突き合せ溶接継手等の溶接継
手でも、き裂閉口が起こる場合には疲労強度を向上させ
ることができる。

【００３７】さらに、本発明は不活性ガスを用いたアー
ク溶接（ＭＩＧ）、炭酸ガスあるいは混合ガスを用いた
アーク溶接（ＭＡＧ）、タングステン・アーク溶接（Ｔ
ＩＧ）のようなガスシールドアーク溶接による溶接方法
を用いた場合に特に有効であるが、被覆アーク溶接（Ｓ
ＭＡＷ）や、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）のような
溶接方法を用いた溶接継手でも、き裂閉口が起こる場合
には疲労強度を向上させることができる。

【００３８】

【実施例】以下に、本発明の実施例について述べる。溶
接継手のＨＡＺにおけるフェライト組織の体積率と、鋼
板の板厚、降伏応力、および溶接入熱の関係が疲労強度
に及ぼす影響を調査することを目的に疲労試験を実施し
た。５０キロ真空溶解炉を用いて、合計１４鋼種を溶製
した。炭素当量が低く、母材の強度不足が懸念されるた
め、制御圧延と制御冷却により、溶製したスラブの圧延
を実施した。すなわち、１１００℃で６０分間加熱した
後、仕上げ板厚の３倍の板厚まで粗圧延を行い、Ａｒ₃
点以上未再結晶温度以下まで温度待ちをした後に、板厚
６〜３０ｍｍに仕上げ圧延を行い、圧延終了後ただちに
５００℃まで制御冷却した後、室温まで空冷した。さら
に、引張試験片を採取し、母材の降伏応力、引張強度、
全伸びを測定した。

【００３９】

【表１】

【００４０】表１に製造した鋼板の化学成分、炭素当
量、および機械的性質を示す。これらの鋼を用いて、Ｔ
字隅肉、十字隅肉、廻し隅肉の計３種類の溶接継手を作
成した。溶接に用いるリブ板は母材と同じ鋼板を用い、
溶接は各１パスで行った。溶接方法はＣＯ₂ガスを用い
たＭＡＧ溶接とし、溶接材料はソリッドワイヤ、フラッ
クス入りワイヤのいずれも用いることが出来るが、ここ
では５０キロ鋼用フラックス入りワイヤを用いた。ＨＡ
Ｚのミクロ組織の体積率は、溶接金属からＨＡＺ側に約
５０μｍの位置からＨＡＺと母材の境界線までの領域に
占める各ミクロ組織の割合をポイント・カウンティング
法により測定した。

【００４１】疲労試験は大気中、室温とし、Ｔ字隅肉溶
接継手の場合は３点曲げで応力比が０．１、十字隅肉お
よび廻し隅肉溶接継手の場合は軸力で応力比が０で試験
を実施した。疲労強度は溶接継手形式や鋼板の板厚に依
存するため、同一継手で同一板厚の場合のみ、疲労強度
を比較することが可能である。表２に、鋼板記号、鋼板
の板厚、降伏応力、溶接入熱、Ｔ・（σ_Y／Ｑ）^1/2の
値、ＨＡＺにおけるフェライト組織の体積率、ベイナイ
ト・マルテンサイト・パーライト・残留オーステナイト
組織の合計の体積率、継手形状、疲労強度を示す。

【００４２】

【表２】

【００４３】継手１は板厚３０ｍｍで炭素当量が０．２
７５よりも少ない鋼板Ａを用いて、溶接入熱が１．５Ｍ
Ｊ／ｍ以上で溶接した請求項１に該当する本発明例で、
繰り返し数が２００万回の時の応力範囲が１９０ＭＰａ
以上の疲労強度となっている。しかし、継手２は溶接入
熱はほぼ同じだが炭素当量が０．２７５よりも大きい鋼
板Ｌを用いた比較例であるが、継手１よりもＨＡＺのフ
ェライト組織の体積率が低いことに伴い溶接継手の疲労
強度も低い。また、継手３は継手１と同じ鋼板Ａを用い
た比較例であるが、炭素当量は０．２７５以下を満足す
るものの、溶接入熱が１．５ＭＪ／ｍよりも低いため
に、同様にＨＡＺのフェライト組織体積率は２０％未満
となり、き裂閉口が十分に起こらないため、溶接継手の
疲労強度は向上しない。

【００４４】継手４はＣｕを添加した請求項２に該当す
る本発明例で、Ｃｕの添加により溶接継手の疲労強度を
維持したまま、高い母材強度を達成している。一方、継
手５は同様にＣｕを添加した比較例であるが、炭素当量
が０．２７５よりも高いためにＨＡＺのフェライト組織
の体積率は２０％よりも少なく、単にＣｕを添加しても
溶接継手の疲労強度は向上しない。継手６〜８は板厚が
１５ｍｍでＴ・（σ_Y／Ｑ）^1/2の値が０．０１〜０．
４０の範囲にある請求項３に該当する本発明例で、ＨＡ
Ｚがフェライト組織の体積率が増加するに従い、溶接継
手の疲労強度が向上する。継手９〜１５はＣｕ、Ｎｉ、
Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖを１種または２種以上添加した本
発明例で、いずれも高い疲労強度を維持したまま、母材
強度が向上している。一方、継手１６は同様にこれらの
元素を添加したものの、炭素当量が請求範囲よりも多い
比較例で、やはり溶接継手の疲労強度は向上しないこと
がわかる。

【００４５】十字隅肉溶接を行った継手１７と１８、廻
し隅肉溶接を行った継手１９と２０でも、ＨＡＺのフェ
ライト体積率が２０％以上で、あるいは、さらにＴ・
（σ_Y／Ｑ）^1/2の値が０．０１〜０．４０の範囲にあ
る場合は溶接継手の疲労強度が向上する。従って、これ
らの実施例からも、溶接継手の疲労強度を向上させるた
めには、溶接継手のＨＡＺにおいて疲労き裂の伝播速度
を遅くすることが可能なフェライト組織の体積率を２０
％以上に限定し、あるいは、さらに溶接残留応力を低減
すればよいことがわかる。

【００４６】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
船舶、海洋構造物、橋梁、建設機械等に用いられる溶接
継手に関して、ＨＡＺの疲労き裂の伝播速度を遅くする
ことが可能なフェライト組織の体積率を高くし、あるい
は、さらに溶接残留応力を低減することにより、溶接し
たままで溶接継手の疲労強度を向上させることが可能で
あり、本発明の溶接継手の製造方法を用いれば溶接構造
物の疲労破壊に対する信頼性を著しく向上させることが
可能となった。このような効果を有する本発明の産業上
の意義は極めて著しいものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＨＡＺベイナイト鋼（Ａ）とＨＡＺフェライト
鋼（Ｂ）におけるき裂開口変位と荷重の変化を示す図で
ある。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：０．０１５〜０．１５％、Ｓｉ：０．０６〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ａｌ：０．００１〜０．０８％を含有し、残部が鉄および不可避的不純物元素よりな
り、かつ炭素当量が０．１５〜０．２７５である鋼板
を、溶接入熱が１．５〜５．０ＭＪ／ｍで溶接し、溶接
継手の溶接熱影響部におけるフェライト組織の体積率
が、２０〜１００％で、残部がベイナイト組織、マルテ
ンサイト組織、パーライト組織、および残留オーステナ
イト組織の１種または２種以上からなる溶接継手を得る
ことを特徴とする高疲労強度溶接継手の製造方法。ここ
で、炭素当量（Ｃｅｑ）は、Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ
＋Ｍｏ＋Ｖ）／５＋Ｎｂ／３とし、溶接入熱Ｑ（ＭＪ／ｍ）は、Ｑ＝６０・Ｉ・Ｖ／Ｃ／１０⁶ ただし、Ｉ：溶接電流（Ａ）、Ｖ：溶接電圧（Ｖ）、
Ｃ：溶接速度（m/min)とする。
【請求項２】鋼板がさらに重量％で、Ｃｕ：０．１〜２．０％、Ｎｉ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Ｍｏ：０．０２〜１．０％、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、Ｖ：０．００５〜０．１０％の１種または２種以上を含有することを特徴とする、請
求項１に記載の高疲労強度溶接継手の製造方法。
【請求項３】鋼板の板厚、降伏応力、および溶接時の
溶接入熱が下式の関係を満たすことを特徴とする、請求
項１または２に記載の高疲労強度溶接継手の製造方法。０．０１≦Ｔ・（σ_Y／Ｑ）^1/2≦０．４０ここで、Ｔ：板厚（ｍ）、σ_Y：鋼板の降伏応力（ＭＰ
ａ）とする。