耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手
【課題】板厚１〜２０ｍｍの薄板または厚板を重ね隅肉溶接または回し隅肉溶接して得られる隅肉溶接継手の疲労寿命を長大化させるために、溶接止端部の疲労き裂発生特性を改善させた、疲労強度に優れた継ぎ手設計方法を提供する。
【解決手段】鋼板の隅肉溶接継手において、溶接止端部における溶融境界ＦＬを基点として、該基点から溶接金属側に０．５ｍｍ離れた位置における溶接金属の硬さＨｖ（ＦＬ−０．５）と、前記基点から熱影響部側に０．５ｍｍ離れた位置における熱影響部の硬さＨｖ（ＦＬ＋０．５）との比が、０．３以上、０．９以下であることを特徴とする耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手。
【解決手段】鋼板の隅肉溶接継手において、溶接止端部における溶融境界ＦＬを基点として、該基点から溶接金属側に０．５ｍｍ離れた位置における溶接金属の硬さＨｖ（ＦＬ−０．５）と、前記基点から熱影響部側に０．５ｍｍ離れた位置における熱影響部の硬さＨｖ（ＦＬ＋０．５）との比が、０．３以上、０．９以下であることを特徴とする耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車の足回り部材や建材、機械部品などの製作に適用される溶接構造物の疲労強度の向上方法に関し、詳しくは、板厚１〜２０ｍｍの薄板または厚板を隅肉溶接して得られる溶接継手の溶接止端部における疲労き裂の発生寿命を増大させた疲労強度に優れた溶接継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の足回り部材や建材、機械部品などの構造物の軽量化などの要求に答え、構造用鋼板の高強度化が急速に進んでいる。
【０００３】
一般に鋼板の疲労強度は鋼板強度の増加とともに向上するが、これを溶接して製造された鋼構造物の疲労強度は鋼板強度を増加させても殆ど向上しないことが技術常識となっている。この理由は、一般に溶接構造物の疲労破壊は、溶接ビードと鋼板表面とが交わる溶接止端部形状に起因して応力が集中しやすく、溶接欠陥が生じやすい溶接止端部から発生することが多く、疲労亀裂発生特性は鋼板の成分組成や組織には殆ど影響しないためである。
【０００４】
したがって、特に繰り返し荷重を受ける環境で使用され、疲労強度が問題となる溶接鋼構造物では、鋼構造物の安全及び耐久性の点から溶接継手の降伏強度や引張強さに加えて疲労強度向上が切望されている。
【０００５】
溶接構造物の疲労強度は、主として溶接部の止端部形状によって支配されるため、従来から溶接部の止端部処理により溶接継手の疲労強度向上を確保する方法が適用されている。例えば、グラインダーによって溶接止端部を研削して止端半径を大きくする方法、ＴＩＧ溶接およびプラズマ処理によって止端を再溶融して止端形状を滑らかにする方法（例えば特許文献１、参照）、ショットピーニングによって溶接止端形状を改善し圧縮残留応力を発生させる方法などが代表的な止端処理方法である。
【０００６】
しかし、溶接止端部処理は、構造物の建造工数を増大させるばかりでなく、溶接部位によっては止端部処理が実施できない場合も多く、鋼材面及び溶接面から継手疲労強度向上が切望されている。
【０００７】
また、船舶、海洋構造物等の大型構造物に使用される厚板では、溶接継手における母材鋼板の疲労特性を向上させ、溶接止端部で発生した疲労亀裂の母材板厚方向への伝播を遅延させることが溶接構造物の疲労寿命を向上させるために有効であることも知られている。このような耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼板としては、フェライト、パーライト、ベイナイトなどを主体組織とする母相中に、圧延方向に扁平な形状のマルテンサイトなどの硬質相を所定の存在間隔、所定の体積率で存在させ、硬質相により板厚方向への亀裂伝播速度を低下させる鋼板（例えば特許文献２〜４、参照）が、提案されている。
【０００８】
しかし、これらの耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼板は、板厚が厚い場合に発生した疲労き裂の伝播速度を小さくし、溶接継手の疲労寿命を増大するために有効であるものの、自動車鋼板等のように板厚の薄い薄板を溶接した継手では効果が期待できない。
【０００９】
また、溶接面から継手疲労強度を向上する方法として、溶接止端部における溶融境界（ＦＬ）から溶接金属側へ１ｍｍの範囲における平均硬度Ａと、溶融境界（ＦＬ）から溶接熱影響部（ＨＡＺ）側へ１ｍｍの範囲における最高硬度Ｂの硬度差（Ａ−Ｂ）が０〜１５、または、２６〜３９になるようにし、溶融境界（ＦＬ）近傍の溶接金属または溶接熱影響部（ＨＡＺ）で生じるひずみ集中を抑制する方法（例えば特許文献５、６、参照）が提案されている。
【００１０】
これらの方法は、母材板厚２０ｍｍ程度の回し隅肉溶接継手の溶接止端部の溶融境界（ＦＬ）近傍の溶接金属または溶接熱影響部（ＨＡＺ）の硬さが周囲の硬さに比べて局所的に低くなることによる歪集中を抑制するために、溶接金属の硬度を溶接熱影響部（ＨＡＺ）に比べて高くする（オーバーマッチング）方法である。
【００１１】
しかし、発明者らの実験などによる検討結果、自動車鋼板や建材、機械部品用鋼板等の板厚１〜２０ｍｍの鋼板を重ね隅肉溶接または回し隅肉溶接した隅肉溶接継手では、溶接金属の硬度を溶接熱影響部（ＨＡＺ）に比べて高くする（オーバーマッチング）と、逆に溶接継手の疲労強度が大きく低下する場合があることを確認している。
【００１２】
また、船舶、海洋構造物等の大型構造物に使用される、突合せ溶接継手の耐脆性破壊特性Ｋｃを向上させるための方法として、溶接金属の硬さを母材鋼板の硬さの７０〜１１０％の範囲内にした耐脆性破壊特性に優れた溶接継手が提案されている（例えば特許文献７〜９、参照）。
【００１３】
これらの技術は、板厚１５〜１００ｍｍの厚板の突合せ溶接継手の溶接金属の硬度を溶接熱影響部（ＨＡＺ）に比べて継手強度が低下しない程度（母材鋼板の硬さの７０％）以内で低くする（アンダーマッチング）ことにより、結晶粒の粗大化に起因して最脆弱部となる溶融境界（ＦＬ）での局所応力を抑制し、破壊靭性値の低下を防止するものである。突合せ溶接継手では最脆弱部となる溶融境界（ＦＬ）は板厚範囲全体が対象となり、板厚範囲全体の硬さを溶接熱影響部（ＨＡＺ）よりも低くし、ＨＡＺ側の局所応力が溶接金属の硬さに引きずられ高くなることを防止することで、突合せ溶接継手の耐脆性破壊靭性を向上させることが可能となる。
【００１４】
しかし、隅肉溶接継手の疲労強度低下の原因となる領域は、溶接部の板厚範囲全体ではなく、表裏面側の溶接止端部近傍の応力集中であり、上記突合せ溶接継手の脆性破壊の発生メカニズムとは異なるものである。また、発明者らの検討の結果から、自動車鋼板、建材、機械用鋼板等の板厚１〜２０ｍｍの板厚が比較的薄い鋼板を重ね隅肉溶接または回し隅肉溶接により製造した隅肉溶接継手を対象とする場合には、この継手の疲労強度を向上するために十分な効果は得られないことを確認している。
【００１５】
さらに、溶接面から継手疲労強度を向上する方法として、板厚１〜４ｍｍの薄鋼板の隅肉溶接継手において、溶接金属中のマルテンサイト体積率を５０％以上とし、かつ溶接止端部の角度を１１０〜１５０°にした高疲労強度隅肉溶接継手が提案されている（例えば特許文献１０、参照）。この継手は、引張強さ６８０〜９８０ＭＰａ以下の高強度鋼板の隅肉溶接後に、溶接金属が冷却する過程の低温側でマルテンサイト変態膨張を発生させ、溶接止端部に有効的に圧縮残留応力を導入するとともに、溶接継手の止端部の応力集中を低減するために溶接止端部の角度を所定範囲に制御するものである。
【００１６】
しかし、この方法を用いて溶接止端部に圧縮残留応力を導入するためには、引張強さ６８０ＭＰａ以上の高強度鋼板を用いるとともに、溶接金属が低温でマルテンサイト変態膨張させるために成分組成を調整した溶接材を用いる必要があり、引張強さ６８０ＭＰａ以下の鋼板や汎用的な成分組成を有する溶接材料では、継手疲労強度を十分に向上することは困難である。
【００１７】
【特許文献１】特開平０７−２４２９９２号公報
【特許文献２】特開平０６−２７１９８５号公報
【特許文献３】特開平０７−０９０４７８号公報
【特許文献４】特開平０７−２４２９９２号公報
【特許文献５】特開平０７−１７１６７９号公報
【特許文献６】特開平１１−１０４８３８号公報
【特許文献７】特開２００５−１２５３４８号公報
【特許文献８】特開２００５−１４４５５２号公報
【特許文献９】特開２００６−０８８１８４号公報
【特許文献１０】特開２００５−２３８３０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、上記従来技術の現状を踏まえ、板厚１〜２０ｍｍの薄板または厚板を重ね隅肉溶接または回し隅肉溶接して得られる隅肉溶接継手の疲労寿命を長大化させるために、溶接止端部の疲労き裂発生特性を改善させた、疲労強度に優れた継ぎ手設計手法を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、上述の溶融境界（ＦＬ）近傍の溶接金属または溶接熱影響部（ＨＡＺ）で生じるひずみ集中を抑制する方法をさらに発展させて、隅肉溶接継手における上記課題を解決するものであって、その発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
（１）鋼板の隅肉溶接継手において、溶接止端部における溶融境界ＦＬを基点として、該基点から溶接金属側に０．５ｍｍ離れた位置における溶接金属の硬さＨｖ（ＦＬ−０．５）と、前記基点から熱影響部側に０．５ｍｍ離れた位置における熱影響部の硬さＨｖ（ＦＬ＋０．５）との比、［Ｈｖ（ＦＬ−０．５）／Ｈｖ（ＦＬ＋０．５）］が、０．３以上、０．９以下であることを特徴とする、耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手。
（２）前記溶接止端部の曲率半径ρが１ｍｍ以上であることを特徴とする、前記（１）に記載の耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手。
（３）前記溶接止端部の角度θが１００度以上であることを特徴とする、前記（１）または（２）に記載の耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手。
（４）前記溶接止端部において、溶接ビード止端と溶融境界の間が少なくとも０．０５ｍｍ以上離れていることを特徴とする、前記（１）〜（３）の何れかに記載の耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手。
（５）前記鋼板の板厚が１〜２０ｍｍであることを特徴とする、前記（１）〜（４）の何れかに記載の耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、特に板厚１〜２０ｍｍの薄板または厚板の隅肉溶接継手における溶接止端部の疲労き裂発生特性を改善することによって、従来に比べて溶接継手の疲労寿命を安定的に長大化させることができる。したがって、本発明を自動車の足回り部材や建材、機械部品などの製作に適用することで、これらの溶接構造物の疲労強度が向上し、耐久性及び安全性を向上することができ、産業上の貢献は多大なものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明において、対象とする溶接継手の形態は、自動車分野などで多く適用されている、複数の鋼板を重ね隅肉溶接または回し隅肉溶接して得られる隅肉溶接継手であって、この継手に用いられる鋼板の板厚は、１〜２０ｍｍ、継手疲労強度向上の点から好ましくは、１〜１０ｍｍの比較的板厚が薄い鋼板を対象とする。
【００２２】
これまでの隅肉溶接継手の設計は、溶接止端部に変形や歪が集中することを阻止するために、溶接金属の強度や硬さを、母材よりも高くすることが基本であり、隅肉溶接で使用する溶接材料は、その強度が母材強度と比較してオーバーマッチングとなるよう選定されていた。
【００２３】
しかし、本発明者らの検討によれば、板厚１〜２０ｍｍ程度の鋼板の重ね隅肉溶接継手または回し隅肉溶接継手では、これより板厚が厚い鋼板の隅肉溶接継手に比べて溶接止端部の歪や応力の集中度（応力集中の度合い）が比較的低く、かつ歪の集中領域が広範囲であるいため、溶接金属の硬さを母材よりも高くする方法を適用しても継手疲労向上効果は十分に得られなかった。特に、この現象は、板厚１〜１０ｍｍ程度の鋼板の重ね隅肉溶接継手で顕著であった。
【００２４】
本発明者は、鋼板強度及び溶接金属の硬さによる隅肉溶接継手の疲労強度への影響を確認するために、板厚ｔが１〜２０ｍｍであり、引張強さで２７０〜９８０ＭＰａクラスである鋼板と、鋼板強度に対して溶接金属の強度および硬さが変化するように選定した溶接材料を用いて、図１に示すような重ね隅肉溶接継手を製作し、疲労試験を行い、それぞれの継手の疲労寿命を評価した。
【００２５】
その結果、上記引張強さの範囲で鋼板の引張強さのみ増大しても、溶接継手の疲労寿命は殆ど改善されないという従来知見と一致する結果を確認した。また、溶接継手の疲労き裂発生位置は、すべて溶接止端部の熱影響部、または溶接金属部であった。
【００２６】
次に鋼板の引張強さ（ＴＳ（Ｂ））に対して溶接材料の強度を種々変化させた場合の隅肉溶接継手の１００万回疲労寿命強度［ＳＦ１００］及び継手引張強さとの関係を調査した。
【００２７】
図２に隅肉溶接継手における母材熱影響部（ＨＡＺ）の硬さに対する溶接金属の硬さの比［Ｈｖ（ＦＬ−０．５）／Ｈｖ（ＦＬ＋０．５）］（横軸）と、隅肉溶接継手の１００万回疲労寿命強度［ＳＦ１００］（左縦軸）、及び、鋼板引張強さに対する継手引張強度の比［ＴＳ（Ｊ）／ＴＳ（Ｂ）］（右縦軸）との関係を示す。
【００２８】
なお、溶接金属の硬さは、溶接止端部における溶融境界ＦＬを基点（０）として、この基点から溶接金属側（−側）に０．５ｍｍ離れた位置における硬さ［Ｈｖ（ＦＬ−０．５）］を測定し、母材熱影響部（ＨＡＺ）の硬さは、前記基点から熱影響部側（＋側）に０．５ｍｍ離れた位置における硬さ［Ｈｖ（ＦＬ＋０．５）］を測定した。
【００２９】
本発明において、溶接金属の硬さの測定位置を溶融境界（ＦＬ）から溶接金属側に０．５ｍｍ離れた位置とし、母材熱影響部の硬さの測定位置を溶融境界（ＦＬ）から母材熱影響部側に０．５ｍｍ離れた位置とした理由は以下の通りである。
【００３０】
隅肉溶接継手の溶接止端部での局所的な応力の増大と局所的な歪集中を評価するには、疲労き裂の発生・成長過程において、疲労き裂がひとつの結晶粒の大きさ程度に形成され、１ｍｍ程度の長さに成長する初期の過程に相当する範囲の硬さ分布を正確に捉える必要がある。
【００３１】
マイクロビッカース硬さを測定する場合は、圧痕の大きさがフェライトやベイナイトなどの組織の構成要素よりも小さくなり、圧痕を打つ位置で測定値が大きくばらつくため、溶融境界（ＦＬ）近傍での硬さの急激な変化を捉え、き裂先端領域の強度特性を正確に評価することは困難となる。
【００３２】
そこで、本発明では、マイクロビッカース硬さの測定位置を、溶融境界（ＦＬ）の硬さ変化を確実に捉え、かつ測定ピッチ間の干渉が無視できる、溶融境界（ＦＬ）から溶融金属側に０．５ｍｍの位置と、溶融境界（ＦＬ）から溶接熱影響部側に０．５ｍｍの位置を、硬さ測定位置とした。
【００３３】
なお、この際の圧痕条件は、測定位置付近の微視組織が均一であれば、５００ｇ以下の圧痕を用いても問題がないが、通常は５００ｇ〜１ｋｇ程度の重しによる圧痕とするのが好ましい。硬さの測定点数は、１点でもほとんどバラツキがないので問題ないが、３〜５点程度測定してその平均値を用いることが好ましい。なお、硬さ測定の方法は、ＪＩＳやＡＳＴＭなどに準拠すればよい。
【００３４】
隅肉溶接継手の疲労強度については、図２中の「●」に示すように、溶接金属の硬さ［Ｈｖ（ＦＬ−０．５）］を母材熱影響部の硬さ［Ｈｖ（ＦＬ＋０．５）］の９０％以下に抑制することにより、隅肉溶接継手の１００万回疲労寿命強度［ＳＦ１００］を目標とする向上効果（１５０ＭＰａに対する向上代で約３０％以上）を達成することができる。
【００３５】
そして、各隅肉溶接継手の溶接止端部における局所応力分布を３次元有限要素法で解析した結果、（１）溶接金属の硬さ［Ｈｖ（ＦＬ−０．５）］が母材溶接熱影響部（ＨＡＺ）の硬さ［Ｈｖ（ＦＬ＋０．５）］よりも高い条件では、溶接止端部での局所応力が溶接金属またはＨＡＺ部の溶融境界ＦＬ近傍で著しく増大すること、（２）逆に、溶接金属の硬さ［Ｈｖ（ＦＬ−０．５）］が母材溶接熱影響部（ＨＡＺ）の硬さ［Ｈｖ（ＦＬ＋０．５）］よりも低いと、局所応力の上記境界での著しい増大が抑制できるのみならず、溶接金属部に生じる歪分布が広範囲に広がり、その結果として局所的な歪集中も抑制できることを確認した。
【００３６】
これらの知見から、本発明では、隅肉溶接継手の溶接止端部での局所的な応力の増大と局所的な歪集中を防止し、隅肉溶接継手の疲労寿命強度を十分に向上するために、溶接止端部における溶融境界ＦＬを基点として、該基点から溶接金属側に０．５ｍｍ離れた位置における硬さＨｖ（ＦＬ−０．５）と、前記基点から熱影響部側に０．５ｍｍ離れた位置における硬さＨｖ（ＦＬ＋０．５）との比の上限を０．９とした。
【００３７】
一方、隅肉溶接継手の溶接金属の硬さを、母材熱影響部の硬さより低下させると、構造物として要求される母材強度と同程度の溶接継手引張強さを確保できなくなるおそれが生じる。隅肉溶接継手の引張強さについては、図２の◇印に示すように、溶接金属の硬さ［Ｈｖ（ＦＬ−０．５）］を母材熱影響部の硬さ［Ｈｖ（ＦＬ＋０．５）］の３０％まで低減しても、溶接継手の引張強さを母材強度と同等以上に確保できることを見出した。
【００３８】
したがって、本発明では、隅肉溶接継手の溶接金属の硬さの低減による継手引張強さの低下を抑制し、隅肉溶接継手の十分な引張強さを維持するために、溶接止端部における溶融境界ＦＬを基点として、該基点から溶接金属側に０．５ｍｍ離れた位置における硬さＨｖ（ＦＬ−０．５）と、前記基点から熱影響部側に０．５ｍｍ離れた位置における硬さＨｖ（ＦＬ＋０．５）との比の下限を０．３とした。
【００３９】
また、隅肉溶接継手の溶接止端部形状によって溶接止端部の応力分布が変化するため、上記溶接止端部の局所応力の低減による継手疲労強度の向上効果をより安定して発揮するためには、上記条件の規定に加えて、以下に説明する隅肉溶接継手の溶接止端部の曲率半径ρおよび／または角度θ（図１、参照）を適正範囲に規定することが好ましい。
【００４０】
図３に隅肉溶接継手の溶接止端部の曲率半径ρ（図１中の止端部半径）と、１００万回疲労寿命強度［ＳＦ１００］との関係を示し、図４に隅肉溶接継手の溶接止端部の角度θ（図１中のフランク角）と、１００万回疲労寿命強度［ＳＦ１００］との関係を示す。
【００４１】
図３から、隅肉溶接継手の溶接止端部の曲率半径ρが１ｍｍ未満になると、１００万回疲労寿命強度［ＳＦ１００］に大きなバラツキが生じ、目標とする１００万回疲労寿命強度［ＳＦ１００］の向上効果（１５０ＭＰａに対する向上代で約３０％以上）を安定して達成することができなくなる。したがって、本発明では、隅肉溶接継手の溶接止端部での局所的な応力の増大と局所的な歪集中を防止し、隅肉溶接継手の疲労寿命強度を安定して向上させるために、上記溶接金属の硬さＨｖ（ＦＬ−０．５）と上記熱影響部の硬さＨｖ（ＦＬ＋０．５）との比に加えて、前記溶接止端部の曲率半径ρを１ｍｍ以上とすることが望ましい。
【００４２】
また、図４から、隅肉溶接継手の溶接止端部の角度θが１００度未満になると、１００万回疲労寿命強度［ＳＦ１００］にバラツキが生じ、目標とする１００万回疲労寿命強度［ＳＦ１００］の向上効果（１５０ＭＰａに対する向上代で約３０％以上）を安定して達成することができなくなる。したがって、本発明では、隅肉溶接継手の溶接止端部での局所的な応力の増大と局所的な歪集中を防止し、隅肉溶接継手の疲労寿命強度を安定して向上させるために、上記溶接金属の硬さＨｖ（ＦＬ−０．５）と上記熱影響部の硬さＨｖ（ＦＬ＋０．５）との比に加えて、前記溶接止端部の角度θを１００度以上とすることが望ましい。
【００４３】
さらに、本発明では、溶接止端部において、図５に示すように、溶接ビード止端Ｐと溶融境界ＦＬの間隔ｄが少なくとも０．０５ｍｍ以上離れていることが望ましい。なお、溶接ビード止端Ｐは、鋼板表面（あるいは鋼板表面を延長した面）と鋼板上に形成された溶接ビードの表面が交わる部分をいう。
【００４４】
本発明は、上述のように、溶接継手部における疲労き裂の発生・成長過程における初期の過程に相当する範囲の硬さ分布を制御し、溶接継手部の疲労寿命を増大させるものである。溶接継手部の疲労き裂は、溶接止端部のもっとも応力集中の大きな点から発生するので、溶接ビード止端が疲労発生起点となりやすい。このため、溶接止端部における局所的な応力の増大と局所的な歪集中を効果的に抑制するには、溶融境界ＦＬの位置が溶接ビード止端Ｐの位置から０．０５ｍｍ以上外側に離れていることが望ましい。
特に好ましいのは、０．２ｍｍ以上である。また、この間隔ｄの上限は特に規定されないが、溶接上の制約から、実現可能な１ｍｍである。
【００４５】
本発明では、溶接構造用鋼板の成分組成に応じて、主として溶接材料の成分組成を調整し、溶接金属の硬さを本発明で規定する範囲内に制御し、好ましくは、さらに溶接条件を調整することにより溶接止端部を好ましい形状に制御することで、特に板厚１〜２０ｍｍの鋼板の隅肉溶接継手において疲労き裂発生特性を大幅に改善することができる。
【００４６】
本発明の隅肉溶接継手で用いる鋼板は、公知の成分組成の溶接用構造用鋼から製造したものでよい。例えば、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．２０％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ａｌ：０．００１〜０．２０％、Ｎ：０．０２％以下、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．０１％以下を基本成分とし、母材強度や継手靭性の向上等、要求される性質に応じて、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｗ、Ｃｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、ＲＥＭ、Ｙ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｂの内の１種又は２種以上を含有した鋼が好ましい。
【００４７】
また、溶接材料も、特にその化学成分、溶接方法を限定するものではない。例えば、溶接材料の化学成分として、Ｃ：０．０１〜０．０６％、Ｓｉ：０．２から１．０％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ｎｉ：０〜４．０％、Ｍｏ：０〜０．３０％、Ａｌ：０〜０．３％、Ｍｇ：０〜０．３０％、Ｔｉ：０．０２〜０．２５％、Ｂ：０〜０．０５０％の範囲が望ましく、鋼板の化学成分や硬さを考慮して、適宜選択してよい。
【００４８】
溶接方法としては、板厚１〜２０ｍｍ程度の鋼板を隅肉溶接する際に用いられるＣＯ２ガス、Ａｒガス、これらの混合ガスを用いた通常のガスシールドアーク溶接（ＭＡＧ溶接、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接など）、または、被覆アーク溶接（ＳＭＡＷ溶接）が適用でき、その際の溶接条件は、本発明で規定する上記溶接金属の硬さ及び溶接止端部形状の条件を満足するように適宜決定すればよい。たとえば、ＣＯ２アーク溶接を用いて鋼板をする場合には、１．４ｍｍ径の溶接ワイヤーを用いて、電流を２００〜４５０Ａ程度で溶接することができる。
【００４９】
ただし、レーザー溶接や電子ビーム溶接を用いる場合は、通常の溶接では溶接材料を用いないが、強度が高い鋼材を用いる場合には溶接金属の硬さを所定の範囲に制御することが困難であるため、溶接材料を用いて所定の溶接金属の硬さに制御する必要がある。
【００５０】
溶接ビード止端Ｐと溶融境界ＦＬの間隔ｄを０．０５ｍｍ以上離す方法には、種々の方法があるが、その一例を示すと、次のような方法がある。
【００５１】
隅肉溶接を実施する際、図６に示すように、組み合わされた溶接部材を４５度程度傾けて溶接すると、溶接止端部が滑らかになりやすくなり、その結果として溶接継手の形状的な特徴である溶接金属部と溶接熱影響部との境であるＦＬの位置を溶接ビード止端からずらすことができる。
【００５２】
また，溶接ビードを形成する溶融金属の母材鋼板への濡れ性を向上させた溶接材料を用いて溶接することによっても、同様に溶接止端部が滑らかになるため同様の効果が発揮できる。
さらに、溶接条件の電流、電圧を適宜調整することによっても、実現することは可能である。たとえば電圧を通常よりも多少小さくすることにより溶接溶け込み量を小さくし、その結果、アークの広がりを拡大して溶接周辺部にも溶融金属を薄く張り出させることにより、溶融境界に対する溶接ビード止端の位置の制御が可能である。
【実施例】
【００５３】
以下に本発明の効果を、実施例に基いて説明する。以下の実施例における条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、該一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件ないし条件の組合せを採用し得るものである。
【００５４】
（実施例１）
板厚１〜２０ｍｍの鋼板を準備し、重ね隅肉溶接継手の特徴及び性能を試験、調査した。その結果を表３に示す。なお、用いた鋼材の化学成分及び溶接材料の化学成分を表１、２に示す。
【００５５】
表３中の溶接方法について、ＣＯ２は、炭酸ガス溶接、ＡｒＣＯ２は、アルゴン炭酸ガス混合ガス溶接、ＴＩＧはＴＩＧ溶接、ＳＭＡＷは手溶接をそれぞれ示す。
【００５６】
硬さの測定は、圧痕をつける重しの重量を１ｋｇとし、まず、溶融境界（ＦＬ）に打刻し、これを基準点として、基準点から溶接金属側に０．５ｍｍピッチ、さらに、基準点から母材側に０．５ｍｍピッチで連続してマイクロビッカース硬さを測定した。
【００５７】
Ｈｖ（ＦＬ−０．５）は、溶接止端部から０．５ｍｍ継手内部の板厚方向に入った位置で、かつ溶融境界（ＦＬ）から溶接金属側（―方向）に０．５ｍｍの位置で測定した溶接金属の硬さを示す。Ｈｖ（ＦＬ＋０．５）は、１ｋｇの圧痕により測定した溶接止端部から０．５ｍｍ継手内部の板厚方向に入った位置で、かつ溶融境界（ＦＬ）から母材熱影響部（ＨＡＺ）側（＋方向）に０．５ｍｍの位置で測定した母材熱影響部の硬さを示す。表３中のＨＶＲは、上記溶接金属の硬さと母材熱影響部の硬さの比（Ｈｖ（ＦＬ−０．５）／Ｈｖ（ＦＬ＋０．５））を示す。
【００５８】
表３中のＳＦ１００は、疲労試験において百万回でも破断しない繰り返し応力範囲を示し、１００万回疲労寿命強度：ＳＦ１００は、１５０ＭＰａを基準とし、この値の３０％以上向上した値である２００ＭＰａ以上の場合を継手疲労強度が良好であると評価した。
【００５９】
ＴＳ（Ｊ）／ＴＳ（Ｂ）は母材引張り強度ＴＳ（Ｂ）に対する継手引張り強度ＴＳ（Ｊ）であり、この値が１以上の場合を継手強度が良好であると評価した。
【００６０】
表３の実施例Ｎｏ．１〜１８は、本発明で規定した溶接金属と溶接熱影響部との硬さ比ＨＶＲ：Ｈｖ（ＦＬ−０．５）／Ｈｖ（ＦＬ＋０．５）の範囲の条件を満足した本発明例である。
【００６１】
何れの発明例も母材強度以上（ＴＳ（Ｊ）／ＴＳ（Ｂ）≧１）の継手引張り強度を維持しつつ、百万回でも破断しない繰り返し応力範囲であるＳＦ１００（ＭＰａ）の値が従来技術で一般的に知られているＳＦ１００の値である１５０ＭＰａの３０％以上向上した２００ＭＰａ以上の値を示し、優れた継手疲労強度を有している。発明例の中でも、実施例Ｎｏ．１、３、６〜１８の発明例は、溶接止端部の曲率半径ρおよび溶接止端部の角度θが本発明の好ましい範囲を満足するため、ＨＶＲなどが同じ条件の継手で比較してより継手疲労強度が高い結果が安定して得られた。
【００６２】
一方、本発明で規定した上記ＨＶＲの範囲から外れた実施例Ｎｏ．Ｒ１−Ｒ６の比較例は、母材強度以上（ＴＳ（Ｊ）／ＴＳ（Ｂ）≧１）の継手引張り強度は維持できているが、上記ＳＦ１００の値は２００ＭＰａ以下であり、十分な継手疲労強度を得ることができなかった。
【００６３】
【表１】
【００６４】
【表２】
【００６５】
【表３】
【００６６】
（実施例２）
表１、４に示す鋼材を用いて板厚１〜２０ｍｍの鋼板を準備し、表２に示す溶接材料を用いて、実施例１と同様に重ね隅肉溶接継手を形成し、その継手の特徴及び性能を、実施例１と同様に試験、調査した。その結果を表５に示す。
なお、その際、重ね隅肉溶接部材の角度を変化させて、溶接ビード止端Ｐから溶融境界ＦＬまでの距離ｄを変化させた。
【００６７】
表３中、Ｎｏ．２０〜２８、３１、３３、３４、３６が本発明のより好ましい条件であるｄ≧０．０５ｍｍを満たす例である。
何れの例でも、継手引張り強度が母材強度以上（ＴＳ（Ｊ）／ＴＳ（Ｂ）≧１）を維持しつつ、ＳＦ１００（ＭＰａ）の値が２００ＭＰａ以上の優れた値を示しているが、特に、ｄ≧０．２ｍｍを満たす場合には、ＳＦ１００（ＭＰａ）の値が他の例より優れていた。
【００６８】
【表４】
【００６９】
【表５】
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】溶接継手とその試験片形状を示す図である。
【図２】溶接止端部近傍の硬さと百万回疲労寿命強度との関係を示す図である。
【図３】溶接止端部半径（ρ）と百万回疲労寿命強度との関係を示す図である。
【図４】溶接止端部のフランク角度（θ）と百万回疲労寿命強度との関係を示す図である。
【図５】溶接止端部における溶接ビード端部と溶融境界の間の距離を説明するための図である。
【図６】溶接ビード止端と溶融境界の間を離すための溶接方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７１】
ρ 溶接止端部の曲率半径
θ 溶接止端部の角度（フランク角）
ＦＬ 溶融境界
Ｐ 溶接ビード止端
ｄ 溶接ビード止端と溶融境界との間の間隔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車の足回り部材や建材、機械部品などの製作に適用される溶接構造物の疲労強度の向上方法に関し、詳しくは、板厚１〜２０ｍｍの薄板または厚板を隅肉溶接して得られる溶接継手の溶接止端部における疲労き裂の発生寿命を増大させた疲労強度に優れた溶接継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の足回り部材や建材、機械部品などの構造物の軽量化などの要求に答え、構造用鋼板の高強度化が急速に進んでいる。
【０００３】
一般に鋼板の疲労強度は鋼板強度の増加とともに向上するが、これを溶接して製造された鋼構造物の疲労強度は鋼板強度を増加させても殆ど向上しないことが技術常識となっている。この理由は、一般に溶接構造物の疲労破壊は、溶接ビードと鋼板表面とが交わる溶接止端部形状に起因して応力が集中しやすく、溶接欠陥が生じやすい溶接止端部から発生することが多く、疲労亀裂発生特性は鋼板の成分組成や組織には殆ど影響しないためである。
【０００４】
したがって、特に繰り返し荷重を受ける環境で使用され、疲労強度が問題となる溶接鋼構造物では、鋼構造物の安全及び耐久性の点から溶接継手の降伏強度や引張強さに加えて疲労強度向上が切望されている。
【０００５】
溶接構造物の疲労強度は、主として溶接部の止端部形状によって支配されるため、従来から溶接部の止端部処理により溶接継手の疲労強度向上を確保する方法が適用されている。例えば、グラインダーによって溶接止端部を研削して止端半径を大きくする方法、ＴＩＧ溶接およびプラズマ処理によって止端を再溶融して止端形状を滑らかにする方法（例えば特許文献１、参照）、ショットピーニングによって溶接止端形状を改善し圧縮残留応力を発生させる方法などが代表的な止端処理方法である。
【０００６】
しかし、溶接止端部処理は、構造物の建造工数を増大させるばかりでなく、溶接部位によっては止端部処理が実施できない場合も多く、鋼材面及び溶接面から継手疲労強度向上が切望されている。
【０００７】
また、船舶、海洋構造物等の大型構造物に使用される厚板では、溶接継手における母材鋼板の疲労特性を向上させ、溶接止端部で発生した疲労亀裂の母材板厚方向への伝播を遅延させることが溶接構造物の疲労寿命を向上させるために有効であることも知られている。このような耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼板としては、フェライト、パーライト、ベイナイトなどを主体組織とする母相中に、圧延方向に扁平な形状のマルテンサイトなどの硬質相を所定の存在間隔、所定の体積率で存在させ、硬質相により板厚方向への亀裂伝播速度を低下させる鋼板（例えば特許文献２〜４、参照）が、提案されている。
【０００８】
しかし、これらの耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼板は、板厚が厚い場合に発生した疲労き裂の伝播速度を小さくし、溶接継手の疲労寿命を増大するために有効であるものの、自動車鋼板等のように板厚の薄い薄板を溶接した継手では効果が期待できない。
【０００９】
また、溶接面から継手疲労強度を向上する方法として、溶接止端部における溶融境界（ＦＬ）から溶接金属側へ１ｍｍの範囲における平均硬度Ａと、溶融境界（ＦＬ）から溶接熱影響部（ＨＡＺ）側へ１ｍｍの範囲における最高硬度Ｂの硬度差（Ａ−Ｂ）が０〜１５、または、２６〜３９になるようにし、溶融境界（ＦＬ）近傍の溶接金属または溶接熱影響部（ＨＡＺ）で生じるひずみ集中を抑制する方法（例えば特許文献５、６、参照）が提案されている。
【００１０】
これらの方法は、母材板厚２０ｍｍ程度の回し隅肉溶接継手の溶接止端部の溶融境界（ＦＬ）近傍の溶接金属または溶接熱影響部（ＨＡＺ）の硬さが周囲の硬さに比べて局所的に低くなることによる歪集中を抑制するために、溶接金属の硬度を溶接熱影響部（ＨＡＺ）に比べて高くする（オーバーマッチング）方法である。
【００１１】
しかし、発明者らの実験などによる検討結果、自動車鋼板や建材、機械部品用鋼板等の板厚１〜２０ｍｍの鋼板を重ね隅肉溶接または回し隅肉溶接した隅肉溶接継手では、溶接金属の硬度を溶接熱影響部（ＨＡＺ）に比べて高くする（オーバーマッチング）と、逆に溶接継手の疲労強度が大きく低下する場合があることを確認している。
【００１２】
また、船舶、海洋構造物等の大型構造物に使用される、突合せ溶接継手の耐脆性破壊特性Ｋｃを向上させるための方法として、溶接金属の硬さを母材鋼板の硬さの７０〜１１０％の範囲内にした耐脆性破壊特性に優れた溶接継手が提案されている（例えば特許文献７〜９、参照）。
【００１３】
これらの技術は、板厚１５〜１００ｍｍの厚板の突合せ溶接継手の溶接金属の硬度を溶接熱影響部（ＨＡＺ）に比べて継手強度が低下しない程度（母材鋼板の硬さの７０％）以内で低くする（アンダーマッチング）ことにより、結晶粒の粗大化に起因して最脆弱部となる溶融境界（ＦＬ）での局所応力を抑制し、破壊靭性値の低下を防止するものである。突合せ溶接継手では最脆弱部となる溶融境界（ＦＬ）は板厚範囲全体が対象となり、板厚範囲全体の硬さを溶接熱影響部（ＨＡＺ）よりも低くし、ＨＡＺ側の局所応力が溶接金属の硬さに引きずられ高くなることを防止することで、突合せ溶接継手の耐脆性破壊靭性を向上させることが可能となる。
【００１４】
しかし、隅肉溶接継手の疲労強度低下の原因となる領域は、溶接部の板厚範囲全体ではなく、表裏面側の溶接止端部近傍の応力集中であり、上記突合せ溶接継手の脆性破壊の発生メカニズムとは異なるものである。また、発明者らの検討の結果から、自動車鋼板、建材、機械用鋼板等の板厚１〜２０ｍｍの板厚が比較的薄い鋼板を重ね隅肉溶接または回し隅肉溶接により製造した隅肉溶接継手を対象とする場合には、この継手の疲労強度を向上するために十分な効果は得られないことを確認している。
【００１５】
さらに、溶接面から継手疲労強度を向上する方法として、板厚１〜４ｍｍの薄鋼板の隅肉溶接継手において、溶接金属中のマルテンサイト体積率を５０％以上とし、かつ溶接止端部の角度を１１０〜１５０°にした高疲労強度隅肉溶接継手が提案されている（例えば特許文献１０、参照）。この継手は、引張強さ６８０〜９８０ＭＰａ以下の高強度鋼板の隅肉溶接後に、溶接金属が冷却する過程の低温側でマルテンサイト変態膨張を発生させ、溶接止端部に有効的に圧縮残留応力を導入するとともに、溶接継手の止端部の応力集中を低減するために溶接止端部の角度を所定範囲に制御するものである。
【００１６】
しかし、この方法を用いて溶接止端部に圧縮残留応力を導入するためには、引張強さ６８０ＭＰａ以上の高強度鋼板を用いるとともに、溶接金属が低温でマルテンサイト変態膨張させるために成分組成を調整した溶接材を用いる必要があり、引張強さ６８０ＭＰａ以下の鋼板や汎用的な成分組成を有する溶接材料では、継手疲労強度を十分に向上することは困難である。
【００１７】
【特許文献１】特開平０７−２４２９９２号公報
【特許文献２】特開平０６−２７１９８５号公報
【特許文献３】特開平０７−０９０４７８号公報
【特許文献４】特開平０７−２４２９９２号公報
【特許文献５】特開平０７−１７１６７９号公報
【特許文献６】特開平１１−１０４８３８号公報
【特許文献７】特開２００５−１２５３４８号公報
【特許文献８】特開２００５−１４４５５２号公報
【特許文献９】特開２００６−０８８１８４号公報
【特許文献１０】特開２００５−２３８３０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、上記従来技術の現状を踏まえ、板厚１〜２０ｍｍの薄板または厚板を重ね隅肉溶接または回し隅肉溶接して得られる隅肉溶接継手の疲労寿命を長大化させるために、溶接止端部の疲労き裂発生特性を改善させた、疲労強度に優れた継ぎ手設計手法を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、上述の溶融境界（ＦＬ）近傍の溶接金属または溶接熱影響部（ＨＡＺ）で生じるひずみ集中を抑制する方法をさらに発展させて、隅肉溶接継手における上記課題を解決するものであって、その発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
（１）鋼板の隅肉溶接継手において、溶接止端部における溶融境界ＦＬを基点として、該基点から溶接金属側に０．５ｍｍ離れた位置における溶接金属の硬さＨｖ（ＦＬ−０．５）と、前記基点から熱影響部側に０．５ｍｍ離れた位置における熱影響部の硬さＨｖ（ＦＬ＋０．５）との比、［Ｈｖ（ＦＬ−０．５）／Ｈｖ（ＦＬ＋０．５）］が、０．３以上、０．９以下であることを特徴とする、耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手。
（２）前記溶接止端部の曲率半径ρが１ｍｍ以上であることを特徴とする、前記（１）に記載の耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手。
（３）前記溶接止端部の角度θが１００度以上であることを特徴とする、前記（１）または（２）に記載の耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手。
（４）前記溶接止端部において、溶接ビード止端と溶融境界の間が少なくとも０．０５ｍｍ以上離れていることを特徴とする、前記（１）〜（３）の何れかに記載の耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手。
（５）前記鋼板の板厚が１〜２０ｍｍであることを特徴とする、前記（１）〜（４）の何れかに記載の耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、特に板厚１〜２０ｍｍの薄板または厚板の隅肉溶接継手における溶接止端部の疲労き裂発生特性を改善することによって、従来に比べて溶接継手の疲労寿命を安定的に長大化させることができる。したがって、本発明を自動車の足回り部材や建材、機械部品などの製作に適用することで、これらの溶接構造物の疲労強度が向上し、耐久性及び安全性を向上することができ、産業上の貢献は多大なものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明において、対象とする溶接継手の形態は、自動車分野などで多く適用されている、複数の鋼板を重ね隅肉溶接または回し隅肉溶接して得られる隅肉溶接継手であって、この継手に用いられる鋼板の板厚は、１〜２０ｍｍ、継手疲労強度向上の点から好ましくは、１〜１０ｍｍの比較的板厚が薄い鋼板を対象とする。
【００２２】
これまでの隅肉溶接継手の設計は、溶接止端部に変形や歪が集中することを阻止するために、溶接金属の強度や硬さを、母材よりも高くすることが基本であり、隅肉溶接で使用する溶接材料は、その強度が母材強度と比較してオーバーマッチングとなるよう選定されていた。
【００２３】
しかし、本発明者らの検討によれば、板厚１〜２０ｍｍ程度の鋼板の重ね隅肉溶接継手または回し隅肉溶接継手では、これより板厚が厚い鋼板の隅肉溶接継手に比べて溶接止端部の歪や応力の集中度（応力集中の度合い）が比較的低く、かつ歪の集中領域が広範囲であるいため、溶接金属の硬さを母材よりも高くする方法を適用しても継手疲労向上効果は十分に得られなかった。特に、この現象は、板厚１〜１０ｍｍ程度の鋼板の重ね隅肉溶接継手で顕著であった。
【００２４】
本発明者は、鋼板強度及び溶接金属の硬さによる隅肉溶接継手の疲労強度への影響を確認するために、板厚ｔが１〜２０ｍｍであり、引張強さで２７０〜９８０ＭＰａクラスである鋼板と、鋼板強度に対して溶接金属の強度および硬さが変化するように選定した溶接材料を用いて、図１に示すような重ね隅肉溶接継手を製作し、疲労試験を行い、それぞれの継手の疲労寿命を評価した。
【００２５】
その結果、上記引張強さの範囲で鋼板の引張強さのみ増大しても、溶接継手の疲労寿命は殆ど改善されないという従来知見と一致する結果を確認した。また、溶接継手の疲労き裂発生位置は、すべて溶接止端部の熱影響部、または溶接金属部であった。
【００２６】
次に鋼板の引張強さ（ＴＳ（Ｂ））に対して溶接材料の強度を種々変化させた場合の隅肉溶接継手の１００万回疲労寿命強度［ＳＦ１００］及び継手引張強さとの関係を調査した。
【００２７】
図２に隅肉溶接継手における母材熱影響部（ＨＡＺ）の硬さに対する溶接金属の硬さの比［Ｈｖ（ＦＬ−０．５）／Ｈｖ（ＦＬ＋０．５）］（横軸）と、隅肉溶接継手の１００万回疲労寿命強度［ＳＦ１００］（左縦軸）、及び、鋼板引張強さに対する継手引張強度の比［ＴＳ（Ｊ）／ＴＳ（Ｂ）］（右縦軸）との関係を示す。
【００２８】
なお、溶接金属の硬さは、溶接止端部における溶融境界ＦＬを基点（０）として、この基点から溶接金属側（−側）に０．５ｍｍ離れた位置における硬さ［Ｈｖ（ＦＬ−０．５）］を測定し、母材熱影響部（ＨＡＺ）の硬さは、前記基点から熱影響部側（＋側）に０．５ｍｍ離れた位置における硬さ［Ｈｖ（ＦＬ＋０．５）］を測定した。
【００２９】
本発明において、溶接金属の硬さの測定位置を溶融境界（ＦＬ）から溶接金属側に０．５ｍｍ離れた位置とし、母材熱影響部の硬さの測定位置を溶融境界（ＦＬ）から母材熱影響部側に０．５ｍｍ離れた位置とした理由は以下の通りである。
【００３０】
隅肉溶接継手の溶接止端部での局所的な応力の増大と局所的な歪集中を評価するには、疲労き裂の発生・成長過程において、疲労き裂がひとつの結晶粒の大きさ程度に形成され、１ｍｍ程度の長さに成長する初期の過程に相当する範囲の硬さ分布を正確に捉える必要がある。
【００３１】
マイクロビッカース硬さを測定する場合は、圧痕の大きさがフェライトやベイナイトなどの組織の構成要素よりも小さくなり、圧痕を打つ位置で測定値が大きくばらつくため、溶融境界（ＦＬ）近傍での硬さの急激な変化を捉え、き裂先端領域の強度特性を正確に評価することは困難となる。
【００３２】
そこで、本発明では、マイクロビッカース硬さの測定位置を、溶融境界（ＦＬ）の硬さ変化を確実に捉え、かつ測定ピッチ間の干渉が無視できる、溶融境界（ＦＬ）から溶融金属側に０．５ｍｍの位置と、溶融境界（ＦＬ）から溶接熱影響部側に０．５ｍｍの位置を、硬さ測定位置とした。
【００３３】
なお、この際の圧痕条件は、測定位置付近の微視組織が均一であれば、５００ｇ以下の圧痕を用いても問題がないが、通常は５００ｇ〜１ｋｇ程度の重しによる圧痕とするのが好ましい。硬さの測定点数は、１点でもほとんどバラツキがないので問題ないが、３〜５点程度測定してその平均値を用いることが好ましい。なお、硬さ測定の方法は、ＪＩＳやＡＳＴＭなどに準拠すればよい。
【００３４】
隅肉溶接継手の疲労強度については、図２中の「●」に示すように、溶接金属の硬さ［Ｈｖ（ＦＬ−０．５）］を母材熱影響部の硬さ［Ｈｖ（ＦＬ＋０．５）］の９０％以下に抑制することにより、隅肉溶接継手の１００万回疲労寿命強度［ＳＦ１００］を目標とする向上効果（１５０ＭＰａに対する向上代で約３０％以上）を達成することができる。
【００３５】
そして、各隅肉溶接継手の溶接止端部における局所応力分布を３次元有限要素法で解析した結果、（１）溶接金属の硬さ［Ｈｖ（ＦＬ−０．５）］が母材溶接熱影響部（ＨＡＺ）の硬さ［Ｈｖ（ＦＬ＋０．５）］よりも高い条件では、溶接止端部での局所応力が溶接金属またはＨＡＺ部の溶融境界ＦＬ近傍で著しく増大すること、（２）逆に、溶接金属の硬さ［Ｈｖ（ＦＬ−０．５）］が母材溶接熱影響部（ＨＡＺ）の硬さ［Ｈｖ（ＦＬ＋０．５）］よりも低いと、局所応力の上記境界での著しい増大が抑制できるのみならず、溶接金属部に生じる歪分布が広範囲に広がり、その結果として局所的な歪集中も抑制できることを確認した。
【００３６】
これらの知見から、本発明では、隅肉溶接継手の溶接止端部での局所的な応力の増大と局所的な歪集中を防止し、隅肉溶接継手の疲労寿命強度を十分に向上するために、溶接止端部における溶融境界ＦＬを基点として、該基点から溶接金属側に０．５ｍｍ離れた位置における硬さＨｖ（ＦＬ−０．５）と、前記基点から熱影響部側に０．５ｍｍ離れた位置における硬さＨｖ（ＦＬ＋０．５）との比の上限を０．９とした。
【００３７】
一方、隅肉溶接継手の溶接金属の硬さを、母材熱影響部の硬さより低下させると、構造物として要求される母材強度と同程度の溶接継手引張強さを確保できなくなるおそれが生じる。隅肉溶接継手の引張強さについては、図２の◇印に示すように、溶接金属の硬さ［Ｈｖ（ＦＬ−０．５）］を母材熱影響部の硬さ［Ｈｖ（ＦＬ＋０．５）］の３０％まで低減しても、溶接継手の引張強さを母材強度と同等以上に確保できることを見出した。
【００３８】
したがって、本発明では、隅肉溶接継手の溶接金属の硬さの低減による継手引張強さの低下を抑制し、隅肉溶接継手の十分な引張強さを維持するために、溶接止端部における溶融境界ＦＬを基点として、該基点から溶接金属側に０．５ｍｍ離れた位置における硬さＨｖ（ＦＬ−０．５）と、前記基点から熱影響部側に０．５ｍｍ離れた位置における硬さＨｖ（ＦＬ＋０．５）との比の下限を０．３とした。
【００３９】
また、隅肉溶接継手の溶接止端部形状によって溶接止端部の応力分布が変化するため、上記溶接止端部の局所応力の低減による継手疲労強度の向上効果をより安定して発揮するためには、上記条件の規定に加えて、以下に説明する隅肉溶接継手の溶接止端部の曲率半径ρおよび／または角度θ（図１、参照）を適正範囲に規定することが好ましい。
【００４０】
図３に隅肉溶接継手の溶接止端部の曲率半径ρ（図１中の止端部半径）と、１００万回疲労寿命強度［ＳＦ１００］との関係を示し、図４に隅肉溶接継手の溶接止端部の角度θ（図１中のフランク角）と、１００万回疲労寿命強度［ＳＦ１００］との関係を示す。
【００４１】
図３から、隅肉溶接継手の溶接止端部の曲率半径ρが１ｍｍ未満になると、１００万回疲労寿命強度［ＳＦ１００］に大きなバラツキが生じ、目標とする１００万回疲労寿命強度［ＳＦ１００］の向上効果（１５０ＭＰａに対する向上代で約３０％以上）を安定して達成することができなくなる。したがって、本発明では、隅肉溶接継手の溶接止端部での局所的な応力の増大と局所的な歪集中を防止し、隅肉溶接継手の疲労寿命強度を安定して向上させるために、上記溶接金属の硬さＨｖ（ＦＬ−０．５）と上記熱影響部の硬さＨｖ（ＦＬ＋０．５）との比に加えて、前記溶接止端部の曲率半径ρを１ｍｍ以上とすることが望ましい。
【００４２】
また、図４から、隅肉溶接継手の溶接止端部の角度θが１００度未満になると、１００万回疲労寿命強度［ＳＦ１００］にバラツキが生じ、目標とする１００万回疲労寿命強度［ＳＦ１００］の向上効果（１５０ＭＰａに対する向上代で約３０％以上）を安定して達成することができなくなる。したがって、本発明では、隅肉溶接継手の溶接止端部での局所的な応力の増大と局所的な歪集中を防止し、隅肉溶接継手の疲労寿命強度を安定して向上させるために、上記溶接金属の硬さＨｖ（ＦＬ−０．５）と上記熱影響部の硬さＨｖ（ＦＬ＋０．５）との比に加えて、前記溶接止端部の角度θを１００度以上とすることが望ましい。
【００４３】
さらに、本発明では、溶接止端部において、図５に示すように、溶接ビード止端Ｐと溶融境界ＦＬの間隔ｄが少なくとも０．０５ｍｍ以上離れていることが望ましい。なお、溶接ビード止端Ｐは、鋼板表面（あるいは鋼板表面を延長した面）と鋼板上に形成された溶接ビードの表面が交わる部分をいう。
【００４４】
本発明は、上述のように、溶接継手部における疲労き裂の発生・成長過程における初期の過程に相当する範囲の硬さ分布を制御し、溶接継手部の疲労寿命を増大させるものである。溶接継手部の疲労き裂は、溶接止端部のもっとも応力集中の大きな点から発生するので、溶接ビード止端が疲労発生起点となりやすい。このため、溶接止端部における局所的な応力の増大と局所的な歪集中を効果的に抑制するには、溶融境界ＦＬの位置が溶接ビード止端Ｐの位置から０．０５ｍｍ以上外側に離れていることが望ましい。
特に好ましいのは、０．２ｍｍ以上である。また、この間隔ｄの上限は特に規定されないが、溶接上の制約から、実現可能な１ｍｍである。
【００４５】
本発明では、溶接構造用鋼板の成分組成に応じて、主として溶接材料の成分組成を調整し、溶接金属の硬さを本発明で規定する範囲内に制御し、好ましくは、さらに溶接条件を調整することにより溶接止端部を好ましい形状に制御することで、特に板厚１〜２０ｍｍの鋼板の隅肉溶接継手において疲労き裂発生特性を大幅に改善することができる。
【００４６】
本発明の隅肉溶接継手で用いる鋼板は、公知の成分組成の溶接用構造用鋼から製造したものでよい。例えば、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．２０％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ａｌ：０．００１〜０．２０％、Ｎ：０．０２％以下、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．０１％以下を基本成分とし、母材強度や継手靭性の向上等、要求される性質に応じて、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｗ、Ｃｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、ＲＥＭ、Ｙ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｂの内の１種又は２種以上を含有した鋼が好ましい。
【００４７】
また、溶接材料も、特にその化学成分、溶接方法を限定するものではない。例えば、溶接材料の化学成分として、Ｃ：０．０１〜０．０６％、Ｓｉ：０．２から１．０％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ｎｉ：０〜４．０％、Ｍｏ：０〜０．３０％、Ａｌ：０〜０．３％、Ｍｇ：０〜０．３０％、Ｔｉ：０．０２〜０．２５％、Ｂ：０〜０．０５０％の範囲が望ましく、鋼板の化学成分や硬さを考慮して、適宜選択してよい。
【００４８】
溶接方法としては、板厚１〜２０ｍｍ程度の鋼板を隅肉溶接する際に用いられるＣＯ２ガス、Ａｒガス、これらの混合ガスを用いた通常のガスシールドアーク溶接（ＭＡＧ溶接、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接など）、または、被覆アーク溶接（ＳＭＡＷ溶接）が適用でき、その際の溶接条件は、本発明で規定する上記溶接金属の硬さ及び溶接止端部形状の条件を満足するように適宜決定すればよい。たとえば、ＣＯ２アーク溶接を用いて鋼板をする場合には、１．４ｍｍ径の溶接ワイヤーを用いて、電流を２００〜４５０Ａ程度で溶接することができる。
【００４９】
ただし、レーザー溶接や電子ビーム溶接を用いる場合は、通常の溶接では溶接材料を用いないが、強度が高い鋼材を用いる場合には溶接金属の硬さを所定の範囲に制御することが困難であるため、溶接材料を用いて所定の溶接金属の硬さに制御する必要がある。
【００５０】
溶接ビード止端Ｐと溶融境界ＦＬの間隔ｄを０．０５ｍｍ以上離す方法には、種々の方法があるが、その一例を示すと、次のような方法がある。
【００５１】
隅肉溶接を実施する際、図６に示すように、組み合わされた溶接部材を４５度程度傾けて溶接すると、溶接止端部が滑らかになりやすくなり、その結果として溶接継手の形状的な特徴である溶接金属部と溶接熱影響部との境であるＦＬの位置を溶接ビード止端からずらすことができる。
【００５２】
また，溶接ビードを形成する溶融金属の母材鋼板への濡れ性を向上させた溶接材料を用いて溶接することによっても、同様に溶接止端部が滑らかになるため同様の効果が発揮できる。
さらに、溶接条件の電流、電圧を適宜調整することによっても、実現することは可能である。たとえば電圧を通常よりも多少小さくすることにより溶接溶け込み量を小さくし、その結果、アークの広がりを拡大して溶接周辺部にも溶融金属を薄く張り出させることにより、溶融境界に対する溶接ビード止端の位置の制御が可能である。
【実施例】
【００５３】
以下に本発明の効果を、実施例に基いて説明する。以下の実施例における条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、該一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件ないし条件の組合せを採用し得るものである。
【００５４】
（実施例１）
板厚１〜２０ｍｍの鋼板を準備し、重ね隅肉溶接継手の特徴及び性能を試験、調査した。その結果を表３に示す。なお、用いた鋼材の化学成分及び溶接材料の化学成分を表１、２に示す。
【００５５】
表３中の溶接方法について、ＣＯ２は、炭酸ガス溶接、ＡｒＣＯ２は、アルゴン炭酸ガス混合ガス溶接、ＴＩＧはＴＩＧ溶接、ＳＭＡＷは手溶接をそれぞれ示す。
【００５６】
硬さの測定は、圧痕をつける重しの重量を１ｋｇとし、まず、溶融境界（ＦＬ）に打刻し、これを基準点として、基準点から溶接金属側に０．５ｍｍピッチ、さらに、基準点から母材側に０．５ｍｍピッチで連続してマイクロビッカース硬さを測定した。
【００５７】
Ｈｖ（ＦＬ−０．５）は、溶接止端部から０．５ｍｍ継手内部の板厚方向に入った位置で、かつ溶融境界（ＦＬ）から溶接金属側（―方向）に０．５ｍｍの位置で測定した溶接金属の硬さを示す。Ｈｖ（ＦＬ＋０．５）は、１ｋｇの圧痕により測定した溶接止端部から０．５ｍｍ継手内部の板厚方向に入った位置で、かつ溶融境界（ＦＬ）から母材熱影響部（ＨＡＺ）側（＋方向）に０．５ｍｍの位置で測定した母材熱影響部の硬さを示す。表３中のＨＶＲは、上記溶接金属の硬さと母材熱影響部の硬さの比（Ｈｖ（ＦＬ−０．５）／Ｈｖ（ＦＬ＋０．５））を示す。
【００５８】
表３中のＳＦ１００は、疲労試験において百万回でも破断しない繰り返し応力範囲を示し、１００万回疲労寿命強度：ＳＦ１００は、１５０ＭＰａを基準とし、この値の３０％以上向上した値である２００ＭＰａ以上の場合を継手疲労強度が良好であると評価した。
【００５９】
ＴＳ（Ｊ）／ＴＳ（Ｂ）は母材引張り強度ＴＳ（Ｂ）に対する継手引張り強度ＴＳ（Ｊ）であり、この値が１以上の場合を継手強度が良好であると評価した。
【００６０】
表３の実施例Ｎｏ．１〜１８は、本発明で規定した溶接金属と溶接熱影響部との硬さ比ＨＶＲ：Ｈｖ（ＦＬ−０．５）／Ｈｖ（ＦＬ＋０．５）の範囲の条件を満足した本発明例である。
【００６１】
何れの発明例も母材強度以上（ＴＳ（Ｊ）／ＴＳ（Ｂ）≧１）の継手引張り強度を維持しつつ、百万回でも破断しない繰り返し応力範囲であるＳＦ１００（ＭＰａ）の値が従来技術で一般的に知られているＳＦ１００の値である１５０ＭＰａの３０％以上向上した２００ＭＰａ以上の値を示し、優れた継手疲労強度を有している。発明例の中でも、実施例Ｎｏ．１、３、６〜１８の発明例は、溶接止端部の曲率半径ρおよび溶接止端部の角度θが本発明の好ましい範囲を満足するため、ＨＶＲなどが同じ条件の継手で比較してより継手疲労強度が高い結果が安定して得られた。
【００６２】
一方、本発明で規定した上記ＨＶＲの範囲から外れた実施例Ｎｏ．Ｒ１−Ｒ６の比較例は、母材強度以上（ＴＳ（Ｊ）／ＴＳ（Ｂ）≧１）の継手引張り強度は維持できているが、上記ＳＦ１００の値は２００ＭＰａ以下であり、十分な継手疲労強度を得ることができなかった。
【００６３】
【表１】
【００６４】
【表２】
【００６５】
【表３】
【００６６】
（実施例２）
表１、４に示す鋼材を用いて板厚１〜２０ｍｍの鋼板を準備し、表２に示す溶接材料を用いて、実施例１と同様に重ね隅肉溶接継手を形成し、その継手の特徴及び性能を、実施例１と同様に試験、調査した。その結果を表５に示す。
なお、その際、重ね隅肉溶接部材の角度を変化させて、溶接ビード止端Ｐから溶融境界ＦＬまでの距離ｄを変化させた。
【００６７】
表３中、Ｎｏ．２０〜２８、３１、３３、３４、３６が本発明のより好ましい条件であるｄ≧０．０５ｍｍを満たす例である。
何れの例でも、継手引張り強度が母材強度以上（ＴＳ（Ｊ）／ＴＳ（Ｂ）≧１）を維持しつつ、ＳＦ１００（ＭＰａ）の値が２００ＭＰａ以上の優れた値を示しているが、特に、ｄ≧０．２ｍｍを満たす場合には、ＳＦ１００（ＭＰａ）の値が他の例より優れていた。
【００６８】
【表４】
【００６９】
【表５】
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】溶接継手とその試験片形状を示す図である。
【図２】溶接止端部近傍の硬さと百万回疲労寿命強度との関係を示す図である。
【図３】溶接止端部半径（ρ）と百万回疲労寿命強度との関係を示す図である。
【図４】溶接止端部のフランク角度（θ）と百万回疲労寿命強度との関係を示す図である。
【図５】溶接止端部における溶接ビード端部と溶融境界の間の距離を説明するための図である。
【図６】溶接ビード止端と溶融境界の間を離すための溶接方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７１】
ρ 溶接止端部の曲率半径
θ 溶接止端部の角度（フランク角）
ＦＬ 溶融境界
Ｐ 溶接ビード止端
ｄ 溶接ビード止端と溶融境界との間の間隔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板の隅肉溶接継手において、溶接止端部における溶融境界ＦＬを基点として、該基点から溶接金属側に０．５ｍｍ離れた位置における溶接金属の硬さＨｖ（ＦＬ−０．５）と、前記基点から熱影響部側に０．５ｍｍ離れた位置における熱影響部の硬さＨｖ（ＦＬ＋０．５）との比［Ｈｖ（ＦＬ−０．５）／Ｈｖ（ＦＬ＋０．５）］が、０．３以上、０．９以下であることを特徴とする、耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手。
【請求項２】
前記溶接止端部の曲率半径ρが１ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手。
【請求項３】
前記溶接止端部の角度θが１００度以上であることを特徴とする、請求項１または２に記載の耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手。
【請求項４】
前記溶接止端部において、溶接ビード止端と溶融境界の間が少なくとも０．０５ｍｍ以上離れていることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手。
【請求項５】
前記鋼板の板厚が１〜２０ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載の耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手。
【請求項１】
鋼板の隅肉溶接継手において、溶接止端部における溶融境界ＦＬを基点として、該基点から溶接金属側に０．５ｍｍ離れた位置における溶接金属の硬さＨｖ（ＦＬ−０．５）と、前記基点から熱影響部側に０．５ｍｍ離れた位置における熱影響部の硬さＨｖ（ＦＬ＋０．５）との比［Ｈｖ（ＦＬ−０．５）／Ｈｖ（ＦＬ＋０．５）］が、０．３以上、０．９以下であることを特徴とする、耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手。
【請求項２】
前記溶接止端部の曲率半径ρが１ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手。
【請求項３】
前記溶接止端部の角度θが１００度以上であることを特徴とする、請求項１または２に記載の耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手。
【請求項４】
前記溶接止端部において、溶接ビード止端と溶融境界の間が少なくとも０．０５ｍｍ以上離れていることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手。
【請求項５】
前記鋼板の板厚が１〜２０ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載の耐疲労き裂発生特性に優れた隅肉溶接継手。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−１７８９１０（Ｐ２００８−１７８９１０Ａ）
【公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３３０４２０（Ｐ２００７−３３０４２０）
【出願日】平成１９年１２月２１日（２００７．１２．２１）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２１日（２００７．１２．２１）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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