JPS6083784A - 溶接継手の溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はＬＮＧ．ＬＰＧなどを積荷りる液化ガスタンカ
ーの独立方形タンクに関し、更に詳しくは液化ガスタン
カー内の独立方形タンクの多数の溶接継手を溶接づる方
法に関するものである。

液化ガスタンカーは、第１図に示ずように船殻１内に独
立方形タンク２がローリングチョック３及びサポート４
にて殻１内面と隙間をもって支持され、独立方形タンク
２内にＬＮＧ．ＬＰＧなどを積荷した際に低温による収
縮移動を許容できるようになっている。低温液体を収容
づる独立方形タンク２は収縮時の変形応力に対して十分
な強度を有するような構造となっている。

この独立方形タンク２はアルミニウム合金からなり例え
ば第２図に示すように、タンク２内にブラケットやリブ
、型材、スキンプレートなど多数のタンク部材５を骨組
し、各タンク部材５の継目をＭＩＧ溶接して構築してい
る。ところでこの種の液化ガスタンカーでＩ　Ｍ　ＯＣ
ｏｄｅにお（）るＴＶＩ）０Ｂに属するタンカーはＩＭ
ＯＣｏｄｅによって詳細な疲労強度解析を行なうことを
義務づけられている。このＢタイプタンクの定義はタン
クの安全性が正確な解析と実験で確認され、一時にタン
クの大破壊が生じることのないタンクであり、そのため
疲労解析、破壊解析に重点がおかれている。独立方形タ
ンクはその内部が多数のタンク部材が溶接された骨付き
構造で不静定次数が高いので完全な解析は困難であった
が、最近コンピューターにより比較的簡単に解析できる
ようになっている。しかしながら骨付ぎ構造には必然的
に隅肉溶接などが多用されており、溶接形状が不規則な
ためこの溶接部については個々に疲労試験を行なう必要
がある。従来この溶接部の疲労強度解析は部材の公称応
力を基礎に行なっており各溶接継手の種類毎に、応力が
繰り返しかかった場合に、疲労し破壊する回数どその応
力との関係を示したＳ−Ｎ曲線を実験によりめそれをも
とに公称応ツノに対する溶接継手の耐疲労強度をめてい
る。しかしながら部材の形状や継手形状、或いは溶接ビ
ードの形状により耐疲労強度が相１ＧＩＩるため各種の
Ｓ−Ｎ　ｄｌ＋線を必要とづるため多くの試験が必要で
ある。事実上、独立方形タンクに表われるづべての継手
を各々の試験でめたＳ−Ｎ曲線でカバーづることは不可
能である。

本発明者らは溶接継手部材の疲労強度は溶接部の継手形
状や冶金的特性、残留応力などの影響因子のうち、溶接
継手部材の疲労強度にもっとも影響をちえるのは、溶接
継手形状に起因づる疲労亀裂発生部の応力集中係数、特
に溶接止端部の応力集中係数であることを見い出し本発
明に至ったものである。

本発明のｌ」的は、上述した独立方形タンクの各種溶接
継手の疲労解析が容易に行なえ、しかも、各種タンク部
材の耐疲労設計が容易に行なえる溶接継手の溶接方法を
提供するものである。

本発明はアルミニウム合金からなる二つの部材を溶接す
る方法において、その部材の継目に向（）てトーチノズ
ルのネライ位置及びトーチ角度を決め、かつそれを中心
にオシレートさせると共に溶接止端部にＪハする応力集
中係数に１を３．０以下に制御することを特徴とするも
ので、例えばＡシレート数を１５０〜２５０回／分及び
オシレート幅を±４　ｍｍ、或いはトーチノズルのシー
ルドガスに５０％以上のヘリウムガスを混入りることに
より応力集中係数を３．０以下となし、Ｒ）材を含めて
一本のＳ−Ｎ曲線でづ゛べての溶接継手部の耐疲労強度
の設３１が行なえるようにしたものである。

以下本発明に係る溶接継手の溶接方法の好適一実施例を
添イリ図面に基づいて説明する。

先ず、第３図の十字溶接継手を例に応カ集中係数ＫＬ＠
説明づる。

第３図において、６は縦板、７は横板で、その縦板６と
横板７に隅肉溶接８がされていたとする。

この場合、溶接８の余盛角（以下フランク角という）を
θ、ビード高さをｈ１溶接８の止端部９のヒート止端半
径をρ、横板７の板厚を１とする。

今横板７に公称応力σ、がががったとすると、その応力
分布は１０で示Ｊように、溶接の施されていない横板７
で公称応力σ　のままであるが止端部９に近づくにつれ
て応力集中が起り、止端部９で略最大の局部応力σ　が
作用する。従ってこの止端部９にお（）る応力集中係数
をＫｌとすると、Ｋ［は下式で表わされる。

またこのＫｔは、上述したフランク角θ、止端半径ρ、
ビードの高さｈの関数で下式で表わされる。

Ｋｔ−［１−１−ｆ　（θ）（ｇ（ρ）−１１）Ｃ（％
）　・・パ（２）ここで、ｆ（Ｏ）はフランク角の影響
、ｇ（ρ）は溶接止端部ｆ￥の影響、Ｃ（ａ　／ｌ　）
は未溶着部の存在の影響による関数Ｃあり夫々下式で表
わされる。

フランク角； 止端半径； ｇ（ρ）−αｔ”ｇｔ（ρ）十α、・ｇｂ（ρ）　・　
・　（４）ここでｇｔ（ρ）は引張荷重の場合で次式〇
与えられる。

ここでβ［は溶接継手形状に応じて次の値をとる。十字
継手２．２、突合せ継手２．０１丁継手１．００ また、曲げ荷重の場合のｇｂ（ρ）は継手形状とは無関
係に次式で与えられる。

ここでβｂは溶接継手形状に応じて次の値をとる。突合
１１手−１，５，１″継手−１，９、その他の継手−１
，０゜ 未溶着部； ここで＋３１　、　＋５１式中のＷは溶接継手形式によ
り次のように使い分（プる。

但し、（２）〜（８）式中θはフランク角、ρは止端半
径、ｔは負荷する部材の板厚、ｊｐは負荷を受けない部
Ｉの板厚、１１はビード高さく脚長）　、ｌ＋ｐ　は溶
接脚長、ａは未溶着部の長さ、α［は止端部での引張応
力係数（引張荷重の場合＝１、曲げ荷重の場合−０）、
αｂは止端部での曲げ応力係数（曲げ荷重の場合−１、
引張荷重の場合−〇）である。

上記（２）〜（８）式からめられるＫＬとフランク角０
、止端半径ρ及びビード高さｈをパラメータに各種継手
におｔフる応力集中係数にしをみた結果、フランク角０
及びビード高さ１１にＪ：る影響は比較的小さく、主に
止端半径ρの大きさにより応力集中係数Ｋｔが変化する
ことが判った。この結果をＴ字継手の場合と、十字継手
の場合を例に第４図、第５図に示す。

第４図は−「字継手における止端半径／板厚と応力集中
係数との関係を示している。

この第４図のグラフより板厚１が一定どづれば止端半径
ρが小さくなるほど応ノコ集中係数Ｋｔが上昇すること
が判る。止端半径ρが小ざい場合においてクランク角θ
（１００〜１７０’）による応力集中係数の変化が人さ
くなり、フランク角θが大きくなれば応力集中係数が増
加づるか止端半径ρが大きくなればその変化は少なくな
ることが判る。

また、第５図のグラフも同様、板厚［を一定どづれば止
端半径ρが小さＧＪれば応力集中係数が増加づることが
判る。

以上において、応力集中係数に＋をめることにより、上
記（１）式より止端部９にお（）る局部応ノｊσ　が判
る。すなわちｎ部応力σ１、は下式よりＩ＋ まる。

σ　＝に１・σＮ 従って今、例えば第３図に示しｉｃ十字継手部の横板７
に公称応力σ、を破壊するまで繰り返し作用させた場合
のＳ　−Ｎ曲線を作成する場合、公称応力σ、でな（局
部応力へ　にてＳ−Ｎ［ｌｈ線を作図すれば、統一的な
Ｓ−Ｎ線図ができる。このＳ−Ｎ線図を第６図に示した
。図において縦軸は応力ｖ！囲で止端部での局部応力σ
、を示し、その各応力を繰り返しか【）た場合に突合せ
継手、十字継手、王？継手が破壊した点をプロットした
もので、グラフを示した直線は試験個数中の生存確立を
示したものである。

このＳ−Ｎ曲線は局部応力σＬ　をベースに作図しであ
るため各継手部の疲労強度は容易にめることが可能とな
る。

応力集中係数Ｋｔは通常無制御に溶接を行なえば広い範
囲に分布する。このため例えばＫｔ値７゜０の場合、止
端部にかかる局部応ノＪσＩ、は公称応力σ、に対して
７倍となり、大きくなって耐疲労強度が落ちる。従って
耐疲労強度を高くりる１ｃめには板厚を太き（所面積を
大きくして板にががる全体の応力を小さく設ｉ１する必
要がある。すなわち継手部の溶接において、溶接を無制
御に行なえば、その溶接コストは低くなるが反面Ｋｔｌ
＊が大きくなり易いため板厚の厚いものを使用しなけれ
ばならずその材料１１ｒ１が増加Ｊる。従って第９図に
示すグラフのようにＫｔ値の増加に応じて材料費が増加
し、反面Ｋｌの増加に応じて溶接コストが下がる関係と
なる。この場合Ｋｔが３．０以下であればトータルコス
トが低く押えることが可能となり、継手部の溶接が極め
て経済的に行なうことができる。

本発明はこの止端部の応力集中係数を３．０以内に押え
ながら各継手部を溶接するものである。

しかしながら、溶接条４ＬＦを１ｌａＪ　ｌｉｔ　して
もＫ［値の分イ■は第７図に示すような分布となる。第
７図は同一条例のもとてＴ字継手を溶接した場合のＫｔ
値の分布を示したもので各１＜を値における頻痕数を表
わしている。従って応力集中係数Ｋ【を３゜０以内に押
える場合第７図に示したＫｔｌｉｆｌの分布中、Ｋｔ値
の最大値（２，３８）を３．０以下となるようＩＩＩ　
ｍする必要がある。

第８図はＫｔｌａの分布曲線をＫｔの最大値から最小値
までを各Ｋ［の値ごとに積分したグラフを示し、図中ρ
は無制御に溶接した場合のＫｔ値の分布曲線を積分した
線を示し、曲線鵬は本発明により溶接を制御した場合の
想定曲線を示し、またｎは無制御に溶接を行な−）ｌｃ
場合の平均Ｋｔ値を、０は制御した場合の平均Ｋｔ値を
示しており、制御しない場合、ａｎのごと＜Ｋｔ　ＩＩ
Ｊが最大から最小値まで広い範囲に分布するが、制御を
行なうことにより曲線■のようにに１値の＋ｍａｘを３
．０以内に押えることができる。

次に応力集中係数Ｋｌを３．０以内に−り帥する溶接方
法を説明する。第１０図は１字形継手部を溶接する例を
示したもので図において、１１は下板、１２は立板で、
その下板１１と立板１２との継目１３をトーチノズル１
４でＭＩＧ溶接溶接場合を示している。この場合、トー
チノズル１４の先端の電極１５のネライ位置を継目１３
に向番ノ、かつそのトーチ角度θｔを一定値（例えば４
５°）に保つ。この状態からトーチノズル１４を左右に
メシレートさせる。このＡシレート幅は立板１２ど下板
１１の板厚に応じて十分な溶接強度が得られるにうな振
幅（通常±４ｉｉＰｉ！１ｍ）とづる。

通常ＭＩＧ溶接にお番ノるオシレート数は７０〜８０回
／分であるが、このオシレート数では応力集中係数をｔ
ｌＪｕ＋＋　ｉることができない。本発明はオシレート
速度を１５０〜２５０回／分で行なうことにより止端部
の応力集中係数Ｋｔを３，０以下に制御することを可能
にしたものである。この場合オシレート数が多くなるこ
とにより止端部での止端半径ρを大きくすることが可能
となり、例えば止端半径ρを１．０ａ＋ｍ以上とづるこ
とが可能となる。

第１１図はオシレート数と応力集中係数Ｋ　Ｔの関係を
示したもので１図において、１字形継手に溶接した場合
の例を示し、トーチノズルの溶接速皮を６００　ｉｎｎ
／分とし、Ａシレート幅を±４ｗ＋＋ａとして行なった
結果を示している。このグラフからも判るように従来の
Ａシレート数７０〜８０回／分では応力集中係数の分布
が大きくその最大値は３．０以上となるがオシシー１〜
数を１５０〜２５０回／分どすることにより応力集中係
数の最大値を３．０以下に押えることができる。また、
第１２図はオシレート幅と応力集中係ｌＫｔとの関係を
示したもので、オシレート幅が２ｍＩＩ１１３ｍＩｌｌ
では応力集中係数の分布が大きくなり適当でなく、４ｍ
ｍでＫｔ値を３．０以下にすることが可能となる。

尚、第１１図、第１２図のグラフにおける曲線はＫｔ値
の平均値を示す曲線である。

また、Ａシレート速度を制御する代りにトーチノズル１
４からのアルゴンのシールドガス中にヘリウムガスを５
０％以上混合することでも応力集中係数Ｋｔを３，０以
下にすることができる。づなわち、ヘリウムガスはアル
ゴンガスより熱伝導率が高く、そのため溶加材の溶【プ
込みがよ（なり、Ｋｔｌ＊を低くすることが可能となる
。

第１３図はヘリウムガス含有量ど応力集中係数の関係を
示し、図において丁字形継手を溶接した場合を示し、ト
ーチノズルの溶接速度６００　Ｉｌｌ／分、オシレート
幅３ｍｒａ、Ａシレート数７５回／分で行なった場合を
承り。

第１３図から明らかなようにヘリウムガスの含有量を５
０％以上とすることで応力集中係数Ｋｔの分布の最大値
を３．０以下に押えることが可能となる。

この溶接はＪべて自動溶接材により行ない、第１図、第
２図に示した独立方形タンク２内のタンク部材５の相互
の継目をその溶接止端部の応力集中係数３．０以下で溶
接することが可能となる。

従って各タンク部材５は１＜１値が３．０以下に押える
ことがでさるため、その板厚応力に見合った経湾的な板
厚とし、かつその疲労強度も充分なものとすることがで
きる。

以」ニ、詳述してきたことから明らかなように本発明に
よれば次のごとき効果を発揮する。

（１）　応力集中率）（１は計算によってめることがで
きＳ−Ｎ曲線は一本でよいので、各継手部の疲労試験を
大幅に簡略化できる。

（ｂ　応力集中係数Ｋｔは実際の構造部の溶接形状を測
定することでその値をＭＩ認することがでるので、実際
に仕上った構造物の疲労強度に対づる信頼性が高い。

（３）　応力集中係数Ｋ【は測定によって統計的に把握
できるので真の意味でのイＵ頼性解析が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で溶接する液化ガスタンカーの独立方形
タンクを示ジ断面図、第２図は独立方形タンクを示ず斜
視図、第３図は本発明に係る溶接継手部の溶接方法にお
いて、止端部の応力集中係数を説明する１ｃめの十字継
手の断面図、第４図は本発明でのＴ字継手部にａｙ　Ｌ
ｊる止端半径と応力集中係数の関係を示タグラフ、第５
図は本発明での十字継手部における止端半径と応力集中
係数の関係を示すグラフ、第６図は本発明におけるＳ−
Ｎ曲線を示すグラフ、第７図は本発明にお番ノる応力集
中係数の分布を示すグラフ、第８図は本発明におＧ−す
る応力集中係数の分布を積分した場合のグラフ、第９図
は応力集中係数とコストの関係を示すグラフ、第１０図
は本発明に係る液化ガスタンカーの独立方形タンクにお
いて各継手部を溶接する例を示す斜視図、第１１図は本
発明に係る溶接継手の溶接方法においてトーチノズルの
オシレート数と応力集中係数の関係を示タグラフ、第１
２図は同様トーチノズルのオシレート幅と応力集中係数
の関係を示ずグラフ、第１３図は本発明に係る溶接継手
の溶接において、ヘリウムガス含有量と応力集中係数と
の関係を示すグラフである。 図中、２は独立方形タンク、３．５はタンク部材、１４
はトーチノズルである。 特許出願人　石川島播磨重工業株式会社代理人弁理士　
絹　谷　信　維 第１図 第２図 第３図 第６図 腸医り叡Ｎ 第４図 第５図 止搗判シ噛４１１１１１ 第７図 第８図 戎・刀巣や係牧にｔ（ｐ、６．ｈｌ 第９図 炭・刀集中係改Ｋｔ 第１１図 スンレート歓〔殉 第１２図 尤シレート　↑晶　（ｍｍ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　アルミニウム合金からなる二つの部材を溶接す
   る方法において、その部材の継目に向けてトーチノズル
   のネライ位置及びそのトーチ角度を決め、かつそれを中
   心にオシレートさけると共に溶接止端部における応力集
   中係数Ｋ【を３．０以下に制御して溶接することを特徴
   とする溶接継手の溶接方法。
2. （２）　トーチノズルをネライ位置を中心にオシレーチ
   幅を±４ｍｍ、オシレート数１５０〜２５０回／分でオ
   シレートさせることを特徴とする特許 手の溶接方法。
3. （３）　トーチノズルのシールドガスとしてアルゴンガ
   スとヘリウムガスの混合ガスを使用し、かつヘリウムガ
   スの混合率を５０％以上にして溶接することを特徴とす
   る上記特許請求の範囲第１項に記載の溶接継手の溶接方
   法。