耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体
【課題】溶接継手に脆性き裂が発生した場合であっても、脆性き裂が溶接継手や母材を伝播するのが抑制でき、溶接構造体の破断を防止することが可能な、耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体を提供する。
【解決手段】鋼板１同士を突合せ溶接することで鋼板溶接継手２が形成されてなり、該鋼板溶接継手２の少なくとも一部に、鋼板１を貫通するように設けられ、脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａが６０００Ｎ／ｍｍ１．５以上の鋼材からなるアレスタ材５と、該アレスタ材５が鋼板１に対して突合せ溶接されることで形成されるアレスタ溶接継手６とからなる耐き裂制御部４が備えられており、アレスタ材５は、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌ上から延在する外縁部５０（５１、５２）が、鋼板溶接継手２の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲の角度で傾斜又は直交するように形成される。
【解決手段】鋼板１同士を突合せ溶接することで鋼板溶接継手２が形成されてなり、該鋼板溶接継手２の少なくとも一部に、鋼板１を貫通するように設けられ、脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａが６０００Ｎ／ｍｍ１．５以上の鋼材からなるアレスタ材５と、該アレスタ材５が鋼板１に対して突合せ溶接されることで形成されるアレスタ溶接継手６とからなる耐き裂制御部４が備えられており、アレスタ材５は、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌ上から延在する外縁部５０（５１、５２）が、鋼板溶接継手２の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲の角度で傾斜又は直交するように形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接継手に脆性き裂が発生した場合に、脆性き裂の伝搬を制御、抑制する耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体に関する。具体的には、大型コンテナ船やバルクキャリア等の船舶用溶接構造体の他、建築構造物や土木鋼構造物等、厚板を用いて溶接を適用した溶接構造物の溶接継手において発生する可能性がある、脆性き裂の伝播を制御、抑制して安全性を向上させるための耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大型コンテナ船やバルクキャリア等の船舶用溶接構造体、建築構造物や土木鋼構造物等に代表される溶接構造物においては、脆性き裂等の破壊に対する高い安全性が求められるようになっている。特に、コンテナ船等は大型化が顕著であり、例えば、６０００ＴＥＵ以上の大型コンテナ船が製造されるようになり、船殻外板の鋼板が厚肉化並びに高強度化し、板厚７０ｍｍ以上で降伏強度３９０Ｎ／ｍｍ２級以上の鋼板が用いられるようになっている。ここで、ＴＥＵ（Ｔｗｅｎｔｙ ｆｅｅｔ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｕｎｉｔ）とは、長さ２０フィートのコンテナに換算した個数を表し、コンテナ船の積載能力の指標を示している。このようなコンテナ船は、積載能力や荷役効率の向上のため、仕切り壁を無くして上部開口部を大きく確保した構造とされており、特に、船殻外板や内板の強度を確保する必要があるため、上記高強度鋼板が好適に用いられる。
【０００３】
上述のような溶接構造物を建造する際、建造コストの低減や建造効率向上を目的として、大入熱溶接（例えば、エレクトロガスアーク溶接等）が広く適用されている。特に、鋼板の板厚が増すほど溶接工数が著しく増加するため、極限まで大入熱で溶接を行なうことが要求される。しかしながら、鋼板の溶接に大入熱溶接を適用した場合、溶接熱影響部（ＨＡＺ：Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ）の靭性が低下し、ＨＡＺの幅も増大するため、脆性破壊に対する破壊靭性値が低下する傾向にある。
【０００４】
このため、溶接継手において脆性き裂が発生するのを抑制するとともに、脆性き裂の伝播停止（アレスト）を達成することを目的として、耐脆性破壊特性に優れたＴＭＣＰ鋼板（Ｔｈｅｒｍｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ：熱加工制御）が提案されている。上記ＴＭＣＰ鋼板を用いることにより、脆性破壊発生に対する抵抗値である破壊靭性値が向上するため、通常の使用環境では脆性破壊する可能性は極めて低くなる。しかしながら、地震や構造物同士の衝突の事故や災害等の際に、万が一、脆性破壊が生じると、脆性き裂がＨＡＺを伝播して大きな破壊が生じる虞がある。
【０００５】
例えば、コンテナ船等に代表される溶接構造体では、板厚５０ｍｍ程度のＴＭＣＰ鋼板等が使用され、万が一、溶接継手で脆性き裂が発生しても、溶接残留応力によって脆性き裂が溶接部から母材側に逸れるので、母材のアレスト性能を確保すれば、脆性き裂を母材で停止できると考えられていた。また、６０００ＴＥＵを超える大型コンテナ船等、さらに大型の溶接構造体においては、より大きな板厚の鋼板が必要となり、さらに、構造を簡素化するうえで鋼板の厚肉化が有効であることから、設計応力が高い高張力鋼の厚鋼板を用いることが求められていた。しかしながら、このような厚鋼板を用いた場合、ＨＡＺの破壊靭性の程度によっては、脆性き裂が母材に逸れること無くＨＡＺに沿って伝播する虞がある。
【０００６】
上記問題を解決するため、突合せ溶接継手の一部に補修溶接を施し、ＨＡＺに沿って伝播する脆性き裂を母材側に逸らせる構成とされた溶接構造体が提案されている（例えば、特許文献１）。しかしながら、特許文献１の溶接構造体では、母材の破壊靭性が非常に優れている場合には有効であるが、母材の破壊靭性が不充分な場合には、母材側に逸れた脆性き裂が長く伝播し、構造物としての強度が著しく低下する虞がある。また、補修溶接部のボリュームが大きめとなり、工程時間が長くなるとともに、製造コストも増大するという問題がある。
【０００７】
また、溶接継手に発生する脆性き裂の伝播を停止させたい領域に、板状のアレスタ材が溶接線と交差するように貫通して溶接され、アレスタ材として、表面や裏面の板厚比２％以上の厚みの表層域における集合組織が適正化されたものを用いる溶接構造体が提案されている（例えば、特許文献２）。しかしながら、特許文献２に記載の溶接構造体を大型建造物に適用した場合、例えば、溶接継手を伝播した脆性き裂が、アレスタ材を鋼板に溶接する溶接継手を伝播してアレスタ材に突入し、そのままアレスタ材の内部を伝播した後、再び溶接継手を伝播する虞がある。一方、溶接継手を伝播した脆性き裂が、アレスタ材及び該アレスタ材を鋼板に溶接する溶接継手の位置で母材側に逸れた場合には、上記同様、母材の破壊靭性が不充分だと脆性き裂が長く伝播し、溶接構造物としての強度が著しく低下するという問題も懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１３１７０８号公報
【特許文献２】特開２００７−０９８４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、例え、溶接継手に脆性き裂が発生した場合であっても、脆性き裂が溶接継手や母材を伝播するのが抑制でき、溶接構造体の破断を防止することが可能な、耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、溶接構造体の溶接継手に脆性き裂が発生した場合に、脆性き裂が溶接継手や母材を伝播するのを防止するため、鋼板間の溶接継手上に設けるアレスタ材や、アレスタ材と鋼板とを溶接する溶接継手について鋭意研究した。この結果、アレスタ材の形状並びに鋼材特性を適正化することにより、溶接継手及び母材における脆性き裂の伝播を抑制し、溶接構造体に大規模な破壊が発生するのを未然防止できることを見出し、本発明を完成した。
即ち、本発明の要旨は、特許請求の範囲に記載した以下の内容に関する。
【００１１】
［１］ 鋼板同士を突合せ溶接することで鋼板溶接継手が形成されてなる耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体であって、該鋼板溶接継手の少なくとも一部に、前記鋼板を貫通するように設けられ、脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａが６０００Ｎ／ｍｍ１．５以上の鋼材からなるアレスタ材と、該アレスタ材が前記鋼板に対して突合せ溶接されることで形成されるアレスタ溶接継手とからなる耐き裂制御部が備えられており、前記アレスタ材は、前記鋼板溶接継手の溶接線上から延在する外縁部が、前記鋼板溶接継手の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲の角度で傾斜又は直交するように形成されていること、を特徴とする耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
【００１２】
［２］ 前記アレスタ材は、前記鋼板溶接継手の長手方向に沿った高さＨ、前記鋼板溶接継手の長手方向と交差する方向における横幅Ｗ、及び板厚ｔの各々の寸法が、下記（１）〜（３）式で表される関係を満足すること、を特徴とする上記［１］に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
２Ｔ ≦ Ｈ ・・・・・ （１）
３．２ｄ＋５０ ≦ Ｗ ・・・・・ （２）
０．９０Ｔ ≦ ｔ ・・・・・ （３）
｛但し、上記（１）〜（３）式中において、Ｔは前記鋼板の板厚を表し、ｄは前記鋼板溶接継手における溶接金属部の幅を表す｝
［３］ 前記アレスタ溶接継手をなす溶接金属部の靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ３（℃）と、前記鋼板の母材靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ１（℃）との関係が、次式｛ｖＴｒＳ３（℃）≦ｖＴｒＳ１（℃）＋２０（℃）｝で表される関係を満たすこと、を特徴とする上記［１］又は［２］に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
［４］ 前記鋼板の板厚が２５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下であること、を特徴とする上記［１］〜［３］の何れか１項に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
【００１３】
［５］ 前記鋼板は、前記鋼板溶接継手の長手方向で配列される少なくとも２以上の小鋼板からなるとともに、前記小鋼板同士を突合せ溶接することで小鋼板溶接継手が形成されており、前記小鋼板溶接継手は、前記鋼板溶接継手の長手方向で、前記アレスタ材の前記溶接線上における前記上縁部の頂部と反対側の下縁部側に形成される前記アレスタ溶接継手に接して設けられること、を特徴とする上記［１］〜［４］の何れか１項に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
［６］ 前記鋼板は、前記鋼板溶接継手の長手方向で配列される少なくとも２以上の小鋼板からなるとともに、前記小鋼板同士を突合せ溶接することで小鋼板溶接継手が形成されており、前記小鋼板溶接継手は、前記鋼板溶接継手の長手方向で、前記アレスタ材の前記溶接線上における前記上縁部の頂部と反対側の下縁部側に形成される前記アレスタ溶接継手を含むとともに、前記小鋼板溶接継手をなす溶接金属部の靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ４（℃）と、前記鋼板の母材靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ１（℃）との関係が、次式｛ｖＴｒＳ４（℃）≦ｖＴｒＳ１（℃）＋２０（℃）｝で表される関係を満たすこと、を特徴とする上記［１］〜［４］の何れか１項に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
【００１４】
なお、本発明で規定する脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａは、当該溶接構造体が使用される温度、あるいは設計温度における数値である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体によれば、鋼板同士を突合せ溶接することで鋼板溶接継手が形成され、該鋼板溶接継手上に、鋼板を貫通するように設けられ、脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａが６０００Ｎ／ｍｍ１．５以上の鋼材からなるアレスタ材と、該アレスタ材が鋼板に対して突合せ溶接されることで形成されるアレスタ溶接継手とからなる耐き裂制御部が備えられており、アレスタ材は、鋼板溶接継手の溶接線上から延在する外縁部が、鋼板溶接継手の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲の角度で傾斜又は直交するように形成されてなる構成なので、例え、溶接継手に脆性き裂が発生した場合であっても、脆性き裂が溶接継手や母材を伝播するのが抑制できる。従って、大規模な破壊が発生するのを未然防止することが可能な溶接構造体を、高い生産効率及び低コストで得ることができる。このような本発明に係る溶接構造体が、大型船舶をはじめ、建築構造物や土木鋼構造物等の各種溶接構造物に使用されることで、溶接構造物の大型化、破壊に対する高い安全性、建造における溶接の高能率化、鋼材の経済性等々が同時に満たされことから、その産業上の効果は計り知れない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の一例を説明する模式図であり、鋼板同士が溶接されて形成された鋼板溶接継手の一部に、アレスタ材及びアレスタ溶接継手からなる耐き裂制御部が設けられた状態を示す平面図である。
【図２】本発明に係る耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の一例を説明する模式図であり、図１に示す溶接構造体のき裂伝播特性を説明する要部拡大図である。
【図３】本発明に係る耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の一例を説明する模式図であり、本発明に係る溶接構造体を船舶用溶接構造体に適用した場合について説明する概略図である。
【図４】本発明に係る耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の他の例を説明する模式図である。
【図５】本発明に係る耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の他の例を説明する模式図である。
【図６】本発明に係る耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の実施例について説明する模式概略図である。
【図７】本発明に係る耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の実施例について説明する模式概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の実施の形態について図面を適宜参照しながら詳細に説明する。なお、本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために詳細に説明するものであるから、特に指定の無い限り、本発明を限定するものではない。
【００１８】
図１〜図４は、本発明に係る耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体（以下、単に溶接構造体と略称することがある）を説明する模式図である。図１は本発明の第１の実施形態である溶接構造体Ａを示す平面図であり、図２は図１に示す溶接構造体Ａのき裂伝播特性を説明する要部拡大図である。また、図３は本発明に係る溶接構造体を船舶用溶接構造体に適用した場合について説明する概略図であり、図４は本発明に係る溶接構造体の第２の実施形態について説明する平面図、図５は第３の実施形態について説明する平面図である。なお、以下の説明において参照する図面は、本発明に係る溶接構造体を説明する図面であって、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の溶接構造体等の寸法関係とは異なる場合がある。
【００１９】
［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態である溶接構造体Ａについて詳述する。
本実施形態の溶接構造体Ａは、図１（図２も参照）に示すように、鋼板１同士を突合せ溶接することで鋼板溶接継手２が形成されてなり、該鋼板溶接継手２の少なくとも一部に、鋼板１を貫通するように設けられ、脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａが６０００Ｎ／ｍｍ１．５以上の鋼材からなるアレスタ材５と、該アレスタ材５が鋼板１に対して突合せ溶接されることで形成されるアレスタ溶接継手６とからなる耐き裂制御部４が備えられており、アレスタ材５は、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌ上から延在する外縁部５０（５１、５２）が、鋼板溶接継手２の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲の角度で傾斜又は直交するように形成されてなり、概略構成される。また、図１に示す例の溶接構造体Ａは、アレスタ材５が、外縁部５１、５２の鋼板溶接継手２の長手方向に対する角度が９０°とされることで、外縁部５１、５２が鋼板溶接継手２に対して共に直交し、平面視略四角形の長方形に形成されている。
【００２０】
『鋼板』
鋼板１としては、船舶用溶接構造体、建築構造物及び土木鋼構造物等の分野において従来公知の鋼板特性を備えるものを、何ら制限無く用いることができ、その化学成分組成や金属組織等については限定されない。
また、鋼板１としては、以下に説明する化学成分組成とされたものを用いることが、鋼板１を用いて形成される鋼板溶接継手２の耐脆性き裂発生性能が得られる点からより好ましい。なお、以下の説明における各元素の「％」は、特に説明が無い限り、「質量％」を表すものとある。
【００２１】
「Ｃ：炭素」（０．０１〜０．１８％）
Ｃは、鋼板の強度向上のために重要かつ最も基本的な元素であり、この効果を得るためには０．０１％以上を添加することが好ましい。しかしながら、０．１８％を超えてＣを添加すると、鋼材の溶接性や靱性の低下を招くので、その上限を０．１８％とした。
【００２２】
「Ｓｉ：ケイ素」（０．０１〜０．５ ％）
Ｓｉは、鋼板の脱酸作用を促進する元素であり、通常０．０１％以上を添加するが、強力な脱酸元素であるＡｌが充分に添加されている場合には不要である。また、０．５％を超えてＳｉを添加すると、溶接による鋼材の熱影響部の靱性を低下させるので０．５％を上限とする。
【００２３】
「Ｍｎ：マンガン」（０．６〜２.５％）
Ｍｎは、経済的に強度を確保するために０．６ ％以上を添加することが好ましい。しかしながら、２.５％を超えてＭｎを添加すると、溶接による鋼材の熱影響部の靱性を著しく阻害するため、その範囲を０．６〜２.５ ％とした。
【００２４】
「Ｐ：リン」（０．０１％以下）
Ｐは、不純物元素であるので、良好な脆性き裂伝播停止特性や大入熱溶接熱影響部の靭性を安定的に確保するためには、その含有量を０．０１％以下に制限することが好ましい。
【００２５】
「Ｓ：硫黄」（０．００１〜０．０２％）
Ｓは、０．０２％を超えて過剰に添加されると粗大な硫化物の生成の原因となり靱性を阻害するため、その含有される上限を０．０２％とした。しかしながら、大入熱溶接熱影響部でのピン止め効果を得るため、Ｓを０．００１ ％以上で添加することが好ましい。
【００２６】
なお、鋼板には、上記元素に加え、さらに、以下に説明するような元素を選択的に添加することにより、鋼板特性をより向上させることが可能となる。また、以下に説明する選択的添加元素においては、その含有量の上限及び下限について特に限定するものではないが、下記範囲で添加することにより、より効果を発揮しやすい。
【００２７】
「Ｂ：ボロン（ホウ素）」（０．０００１〜０．００５％）
Ｂは、Ｍｏとの複合効果によって焼入性を高め、強度を効果的に高める元素であり、このような効果を得るためには０．０００１％以上の添加が好ましい。しかしながら、Ｂの過剰の添加は靱性の低下を招くため、その上限を０．００５％とした。
【００２８】
「Ｍｏ：モリブデン」（０．０１〜１．０％）
Ｍｏは、上述したように、Ｂとの複合効果によって焼入性を高め、強度を効果的に高める元素であり、このような効果を得るためには０．０１％以上の添加が好ましい。しかしながら、１．０％を超えた多量のＭｏの添加は、必要以上の鋼板の強化とともに、靱性の著しい劣化をもたらすため、その範囲を０．０１〜１．０％とした。
【００２９】
「Ａｌ：アルミニウム」（０．００５〜０．１％）
Ａｌは、脱酸を担い、Ｏ（酸素）を低減して鋼の清浄度を高めるために必要な元素である。また、Ａｌ以外のＳｉ、Ｔｉ、Ｃａ、Ｍｇ等の元素も脱酸作用があるが、例え、これらの元素が添加される場合でも、安定的にＯを低減するためには、０．００５％以上でＡｌが添加されていることが好ましい。但し、Ａｌの含有量が０．１％を超えると、アルミナ系粗大酸化物がクラスター化する傾向を強め、製鋼設備のノズル詰まりが生じたり、破壊起点としての有害性が顕在化したりする虞があるため、これを上限とすることが好ましい。
【００３０】
「Ｔｉ：チタン」（０．００３〜０．０５％）
Ｔｉは、微量の添加で結晶粒の微細化に有効であり、０．００３％以上添加する。しかしながら、Ｔｉを０．０５％超で添加すると、溶接による鋼板の熱影響部靭性を劣化させるため、上限を０．０５％とした。
【００３１】
「Ｃａ：カルシウム」（０．０００１〜０．００３％）
Ｃａは、鋼中で酸化物を形成しオーステナイト粒の成長を抑制する作用があることから添加するが、０．００３％を超えて添加すると、粗大な酸化物が生成し易くなり、母材、及び、溶接による鋼板の熱影響部靱性の低下をもたらす。しかしながら、０．０００１％未満のＣａの添加では、ピニング粒子として必要な酸化物の生成が充分に期待できなくなるため、その添加範囲を０．０００１〜０．００３％に限定した。
【００３２】
「Ｍｇ：マグネシウム」（０．０００１〜０．００５％）
Ｍｇは、鋼中で複合酸化物を形成し、旧オーステナイト粒の成長を抑制することから添加するが、０．０００１％未満の添加ではピニング粒子として必要な酸化物の生成が十分に期待できなくなるため、下限を０．０００１％とした。また、０．００５％を超えてＭｇを添加すると、粗大な酸化物が生成し易くなり、母材、及び、溶接による鋼板の熱影響部靱性の低下をもたらす。よって、その添加範囲を０．０００１〜０．００４％に限定した。
【００３３】
「Ｖ：バナジウム」（０．００１〜０．１８％）
Ｖは、母材を強化しつつ、大入熱溶接熱影響部の靭性を高める有効な元素である。また、Ｖは、炭化物、窒化物を形成して強度の向上効果がある元素であるが、０．００１％未満の添加ではその効果がなく、０．１８％を超える添加では、逆に靱性の低下を招くため、その範囲を０．００１〜０．１８％とした。
【００３４】
「Ｎｉ：ニッケル」（０．０１〜５．５％）
Ｎｉは、靭性の劣化を抑えて強度を確保するために有効であり、このような効果を得るためには０．０１％以上で添加することが好ましい。しかしながら、Ｎｉはコストが非常に高いという問題があるので、５．５％未満に抑制することが好ましく、また、上記範囲内において、極力低い含有量とすることがより好ましい。
【００３５】
「Ｎｂ：ニオブ」（０．００５〜０．０５％）
Ｎｂは、仕上圧延における未再結晶域圧延を促すために有効であり、このような作用を得るためには０．００５％以上添加することが好ましい。また、０．０５％を超えてＮｂを添加すると靱性の低下を招くため、その範囲を０．００５〜０．０５％とする。
【００３６】
「Ｃｕ：銅」（０．０１〜３．０％）
Ｃｕは、強度を確保するために有効であり、０．０１％以上の添加量で効果を発揮する。一方、Ｃｕは、大入熱溶接熱影響部の靭性を劣化させる作用も持ち合わせ、１．０％を超えると鋼材製造時の加熱時に割れが生じる可能性があることから、その含有量は、３．０％を上限とすることが好ましい。
【００３７】
「Ｃｒ：クロム」（０．０１〜１．０％）
Ｃｒは、強度を確保するために有効であり、０．０１％以上の添加量で効果を発揮する。一方、Ｃｒは、大入熱溶接熱影響部の靭性を劣化させる作用も持ち合わせることから、その含有量は、１．０％を上限とすることが好ましい。
【００３８】
「ＲＥＭ：希土類元素」（０．０００５〜０．０５％）
ＲＥＭは、硫化物を生成することによって伸長ＭｎＳの生成を抑制し、鋼材の板厚方向の特性、特に。耐ラメラティア性を改善する効果がある。このような効果は、０．０００５％未満のＲＥＭの添加では得られないので、これを下限値にする。また、０．０５％を超えてＲＥＭを添加すると、粗大な酸化物個数が増加し、超微細なＭｇ含有酸化物の個数が低下するため、その上限を０．０５％とした。
【００３９】
図１に示すように、本実施形態の溶接構造体Ａでは、上記構成とされた鋼板１同士が突合せ溶接されることにより、鋼板溶接継手２が形成される。また、この鋼板溶接継手２によって接合される鋼板１の各々には、詳細を後述するアレスタ材５を貫通させて設けるための貫通孔３が、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌを中心として、鋼板１の各々において対称となるように設けられている。
【００４０】
鋼板１の板厚は、２５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下の範囲とすることが好ましい。鋼板１の板厚がこの範囲であれば、溶接構造体としての鋼板強度を確保することができるとともに、詳細を後述するように、優れた耐脆性き裂伝播性を得ることが可能となる。
【００４１】
『アレスタ材』
アレスタ材５は、図１及び図２に示すように、鋼板溶接継手２によって接合される鋼板１の各々に貫通して形成された貫通孔３の内部に、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌを中心として鋼板１の各々において対称となるように、鋼板１を貫通するように設けられる。また、アレスタ材５は、鋼板１に形成された貫通孔３内に露出する溶接端に対して突合せ溶接されることで形成されるアレスタ溶接継手６とともに、耐き裂制御部４を構成する。
アレスタ材５は、上述したような耐き裂制御部４を構成することにより、仮に、鋼板溶接継手２にき裂が生じた場合でも該き裂の伝播方向を制御し、鋼板溶接継手２を貫くようにき裂が伝播して互いに溶接された鋼板１同士が分断するのを防止するものである。
【００４２】
本実施形態で用いられるアレスタ材５は、脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａ＝６０００Ｎ／ｍｍ１．５以上の鋼材から構成される。また、図１に示す例のアレスタ材５は、頂部５ａから延在する外縁部５１、５２が、鋼板溶接継手２の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲の角度で傾斜又は直交するように形成されている。また、図示例のアレスタ材５は、外縁部５１、５２の鋼板溶接継手２の長手方向に対する角度が９０°とされることで、外縁部５１、５２が鋼板溶接継手２に対して共に直交し、直線状に連なって形成されている。そして、外縁部５１、５２の後端５１ａ、５２ａに横縁部５３、５４が各々連なるように形成されるとともに、これら横縁部５３、５４の他端側には下縁部５５が形成され、平面視略四角形の長方形に構成されている。
【００４３】
アレスタ材５は、上述のように、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌ上に配された頂部５ａから延在する外縁部５１、５２が、鋼板溶接継手２の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲の角度で傾斜又は直交することが好ましい。外縁部５１、５２の鋼板溶接継手２の長手方向に対する角度を上記範囲とし、外縁部５１、５２が鋼板溶接継手２に対して傾斜又は直交するように形成することにより、仮に、鋼板溶接継手２を伝播する脆性き裂が生じた場合でも、このき裂を確実にアレスタ材５に導入して脆性き裂を効果的に停止させ、溶接構造体Ａに大規模な破壊が生じるのを防止することができる。
【００４４】
鋼板溶接継手の長手方向に対するアレスタ材の外縁部の角度が６０°未満だと、鋼板溶接継手を伝播した脆性き裂が鋼板の母材側に逸れてしまい、アレスタ材に脆性き裂を導入するように制御するのが困難になる可能性がある。このため、鋼板溶接継手を伝播した脆性き裂がアレスタ溶接継手に沿って進行し、き裂の伝播が停止し難くなる虞がある。
また、鋼板溶接継手の長手方向に対するアレスタ材の外縁部の角度が１２０°を超えても、上記同様、脆性き裂がアレスタ材に突入することなくアレスタ溶接継手に沿って進行し、き裂の伝播が停止し難くなる虞がある。
【００４５】
アレスタ材５の材質としては、上述のような脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａ＝６０００Ｎ／ｍｍ１．５以上の特性を有する鋼板であれば、その化学成分組成や製造方法、組織等は特に限定されず、適宜採用することが可能である。このような鋼板を用いることにより、仮に鋼板溶接継手２にき裂が生じた場合であっても、このき裂の伝播方向を効果的に逸らして制御することが可能となる。
【００４６】
本実施形態の溶接構造体Ａに用いられるアレスタ材５は、鋼板溶接継手２の長手方向に沿った高さＨ、鋼板溶接継手２の長手方向と交差する方向における横幅Ｗ、及び板厚ｔの各々の寸法が、下記（１）〜（３）式で表される関係を満足することがより好ましい。
２Ｔ ≦ Ｈ ・・・・・ （１）
３ｄ＋５０ ≦ Ｗ ・・・・・ （２）
０．９０Ｔ ≦ ｔ ・・・・・ （３）
但し、上記（１）〜（３）式中において、Ｔは前記鋼板の板厚を表し、ｄは前記鋼板溶接継手における溶接金属部の幅を表す。
【００４７】
アレスタ材５の各寸法値を上記関係とすることにより、仮に、鋼板溶接継手２にき裂が生じた場合であっても、き裂の伝播をアレスタ材５に導入し、このアレスタ材５でき裂を停止させることが可能となる。アレスタ材の各寸法値の関係が、上記（１）〜（３）式で表される関係を満たさない場合、鋼板溶接継手に生じたき裂の状態によっては、このき裂がアレスタ材から逸れてしまい、鋼板の母材特性によっては、脆性き裂を停止できない可能性がある。
【００４８】
またさらに、本実施形態の溶接構造体Ａにおいては、アレスタ溶接継手６をなす溶接金属部の靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ３（℃）と、鋼板１の母材靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ１（℃）との関係が、次式｛ｖＴｒＳ３（℃）≦ｖＴｒＳ１（℃）＋２０（℃）｝で表される関係を満たすことがより好ましい。アレスタ溶接継手６をなす溶接金属部の靱性と鋼板１の母材靱性との関係が上記関係式を満たすことにより、仮に、鋼板溶接継手２にき裂が生じた場合であっても、き裂の伝播方向をアレスタ材５内部へ効果的に導入することが可能となる。この場合、アレスタ溶接継手６をなす溶接金属の靱性を低くすることで、耐き裂制御部４により、鋼板溶接継手２で発生した脆性き裂の伝播方向を確実にアレスタ材５へ導入する作用が効果的に得られる。
アレスタ溶接継手をなす溶接金属部の靱性と鋼板の母材靱性との関係が上記関係式を満たさない場合、鋼板溶接継手に生じたき裂の状態によっては、このき裂が母材側に逸れ、アレスタ材によるき裂停止効果が得られなくなる可能性があり、鋼板の母材特性によっては、脆性き裂を停止できない可能性がある。
【００４９】
なお、本発明に係る溶接構造体では、アレスタ材５の形状は、図１等に示す例には限定されず、アレスタ材５の頂部５ａから延在する外縁部５１、５２が、鋼板溶接継手２の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲内の角度であれば、所定の効果を発揮することが可能であり、適宜採用することが可能である。
【００５０】
また、本実施形態では、アレスタ材５を１枚のみ用いて鋼板１に溶接した構成を説明しているが、これには限定されず、例えば、２枚以上のアレスタ材を積層して使用することもでき、適宜採用することが可能である。
【００５１】
『脆性き裂の伝播方向の制御』
上記構成とされた本実施形態の溶接構造体Ａにおいて、仮に、鋼板溶接継手２に脆性き裂が発生した場合の、き裂伝播方向の制御作用について、以下に説明する。
【００５２】
従来、鋼板溶接継手において発生した脆性き裂は、主として、鋼板溶接継手の長手方向を伝播する。このため、鋼板溶接継手に生じた脆性き裂が起点となり、溶接構造体全体に大きな破壊が生じる虞があるという問題があった。
本発明者等は、上述のような脆性き裂の伝播方向を効果的に制御し、溶接構造体においてき裂が伝播するのを抑制するためには、アレスタ材の形状並びに鋼材特性を適正化することが重要であることを知見した。そして、まず、鋼板１同士を突合せ溶接することで形成された鋼板溶接継手２の少なくとも一部に、アレスタ材５と、該アレスタ材５が鋼板１に対して突合せ溶接されることで形成されるアレスタ溶接継手６とからなる耐き裂制御部４を設けることで、き裂の伝播を抑制できることを見出した。これに加え、さらに、アレスタ材５を、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌ上から延在する外縁部５１、５２が、鋼板溶接継手２の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲の角度で傾斜又は直交するように構成することで、鋼板溶接継手２を伝播するき裂を確実にアレスタ材に導入させ、き裂の伝播を効果的に停止可能なことを見出した。
【００５３】
図２に示すように、鋼板溶接継手２の長手方向の一方側（図２における縦長方向の上側）で発生した脆性き裂は、鋼板溶接継手２における長手方向の他方側（図２における縦長方向の下側）に向かって伝播を開始する（図２中の二点鎖線矢印を参照）。この際、本実施形態の溶接構造体Ａでは、鋼板溶接継手２を長手方向で伝播した脆性き裂が、耐き裂制御部４をなすアレスタ溶接継手６に突入し、さらに、アレスタ材５に突入する。ここで、アレスタ材５は、脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａが６０００Ｎ／ｍｍ１．５以上とされているので、突入したき裂を効果的に停止させることが可能となる。
【００５４】
上記作用により、本実施形態の溶接構造体Ａは、例え、鋼板溶接継手２において脆性き裂が発生した場合であっても、脆性き裂が溶接継手や母材を広範囲で伝播するのを抑制できるので、大規模な破壊が発生するのを未然防止することが可能となる。このような本実施形態の溶接構造体Ａを、例えば、大型船舶や建築構造物、土木鋼構造物等の各種溶接構造物に適用することで、溶接構造物の大型化、破壊に対する高い安全性、建造における溶接の高能率化、鋼材の経済性等々を同時に満たすことが可能となる。
【００５５】
『製造方法』
以下に、上述したような本実施形態の耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体Ａを製造する方法の一例について説明する。
本実施形態の溶接構造体Ａを製造する方法としては、鋼板１同士を突合せ溶接することで鋼板溶接継手２を形成するにあたり、鋼板溶接継手２の少なくとも一部に、鋼板１を貫通するように、脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａが６０００Ｎ／ｍｍ１．５以上の鋼材からなるアレスタ材５を設け、次いで、アレスタ材５を鋼板１に対して突合せ溶接してアレスタ溶接継手６を形成することにより、アレスタ材５とアレスタ溶接継手６とからなる耐き裂制御部４を形成する工程を備え、この耐き裂制御部４を形成する工程を、アレスタ材５を、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌ上から延在する外縁部５１、５２が鋼板溶接継手２の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲の角度で傾斜又は直交するように形成して鋼板１に貫通するように設ける方法とすることができる。
【００５６】
本実施形態の溶接構造体Ａの製造方法では、まず、鋼材からなる鋳塊を製造した後、この鋳塊に各種圧延や熱処理等を施すことにより、所定の厚さ、例えば、２５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下の範囲の鋼板１を製造する。
【００５７】
次に、図１及び図２の模式図に示すように、上述した耐き裂制御部を形成する工程において、鋼板１同士を溶接し、鋼板溶接継手２を形成して鋼板１同士を接合する。
具体的には、鋼板１の溶接端１１、１２に開口するように、貫通孔３（３ａ、３ｂ）を形成する。次いで、貫通孔３ａ、３ｂの各々が、溶接線Ｌを中心として鋼板１の各々において対称の貫通孔３を形成するように、各々の鋼板１の溶接端１１、１２を突合せ溶接することにより、この位置に鋼板溶接継手２を形成する。これにより、鋼板１同士が、鋼板溶接継手２によって接合された状態となる。
【００５８】
次いで、アレスタ材５を、鋼板１を貫通するように、貫通孔３の内部に挿入する。次いで、アレスタ材５の外縁部５１、５２、横縁部５３、５４、並びに下縁部５５を、鋼板１において貫通孔３によって露出した溶接端に対して着き合わせ溶接することでアレスタ溶接継手６を形成することにより、アレスタ材５と鋼板１とを接合する。このような手順により、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌを中心として鋼板１の各々において対称となるように、アレスタ材５とアレスタ溶接継手６とからなる耐き裂制御部４を形成する。
【００５９】
本実施形態では、耐き裂制御部を形成する工程において、アレスタ材５を、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌ上から延在する外縁部５１、５２が鋼板溶接継手２の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲の角度で傾斜又は直交するように形成して鋼板１に貫通するように設ける。本実施形態で説明する例では、図１等に示すように、アレスタ材５を平面視略四角形の長方形とし、上縁部５１、５２が鋼板溶接継手２の溶接線Ｌに対して概ね９０°の角度で直交するように形成する。
【００６０】
本実施形態の製造方法においては、上述のように、鋼板１同士、並びに、鋼板１とアレスタ材５とを突合せ溶接する際の溶接方法及び溶接材料については、特に限定されない。
また、脆性き裂伝播を可能な限り抑制し、さらに、鋼板溶接継手２及びアレスタ溶接継手６において新たな疲労き裂や脆性き裂の起点が生じるのを防止するため、各溶接継手を、溶接欠陥の無いように、溶接金属で完全に充填することが好ましい。
【００６１】
上記手順により、図１に示すような、本実施形態の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体Ａを製造することができる。
【００６２】
『溶接構造体を適用した船舶構造体の一例』
上述した本実施形態の溶接構造体Ａを適用した船舶構造体の一例を図３の概略図に示す。
図３に示すように、船舶構造体７０は、骨材（補強材）７１、デッキプレート（水平部材）７２、船殻内板（垂直部材）７３、船殻外板７４を備えて概略構成される。また、図示例の船舶構造体７０は、船殻内板７３をなす複数の鋼板１同士を突合せ溶接することで形成される鋼板溶接継手（図３中では図示略）の長手方向の一部に耐き裂制御部４が設けられることで、本実施形態の溶接構造体Ａを具備する構造とされている。
上記構成の船舶構造体７０によれば、本実施形態の溶接構造体Ａの構成を適用することにより、例え、鋼板溶接継手を伝播する脆性き裂が発生した場合であっても、耐き裂制御部４により、き裂の伝播方向を効果的に制御できる。これにより、鋼板溶接継手に生じた脆性き裂を安定的に停止させることができ、船殻内板７３、ひいては船舶構造体７０に大規模な破壊が生じるのを防止することが可能となる。
【００６３】
以上説明したように、本実施形態の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体Ａによれば、鋼板１同士を突合せ溶接することで鋼板溶接継手２が形成され、該鋼板溶接継手２上に、鋼板１を貫通するように設けられ、脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａが６０００Ｎ／ｍｍ１．５以上の鋼材からなるアレスタ材５と、該アレスタ材５が鋼板１に対して突合せ溶接されることで形成されるアレスタ溶接継手６とからなる耐き裂制御部４が備えられており、アレスタ材５は、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌ上から延在する外縁部５０（５１、５２）が、鋼板溶接継手２の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲の角度で傾斜又は直交するように形成されてなる構成なので、例え、溶接継手に脆性き裂が発生した場合であっても、脆性き裂が溶接継手や母材を伝播するのが抑制できる。従って、大規模な破壊が発生するのを未然防止することが可能な溶接構造体を、高い生産効率及び低コストで得ることができる。このような本発明に係る溶接構造体が、大型船舶をはじめ、建築構造物や土木鋼構造物等の各種溶接構造物に使用されることで、溶接構造物の大型化、破壊に対する高い安全性、建造における溶接の高能率化、鋼材の経済性等々が同時に満たされことから、その産業上の効果は計り知れない。
【００６４】
［第２の実施形態］
以下、本発明の第２の実施形態である溶接構造体Ｂについて、主に図４を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、上述の第１の実施形態の溶接構造体Ａと共通する構成については、同じ符号を付与するとともに、その詳細な説明を省略する。
【００６５】
本実施形態の溶接構造体Ｂは、図４に示すように、鋼板１０が、鋼板溶接継手２０の長手方向で配列される少なくとも２以上の小鋼板（図４中の符号２１〜２４を参照）からなるとともに、この小鋼板同士を突合せ溶接することで小鋼板溶接継手２５、２６が形成されており、この小鋼板溶接継手２５、２６が、鋼板溶接継手２０の長手方向で、アレスタ材５の溶接線Ｌ上における上縁部５１、５２の頂部５ａと反対側の下縁部５５側に形成されるアレスタ溶接継手６に接して設けられる点で、上述の第１の実施形態の溶接構造体Ａとは異なる。また、図４に示す例においては、図示の都合上、小鋼板として４枚の小鋼板２１〜２４を示し、小鋼板２１と小鋼板２２とが小鋼板溶接継手２５で接合され、小鋼板２３と小鋼板２４とが小鋼板溶接継手２６で接合されている。
【００６６】
溶接構造体Ｂによれば、上述の溶接構造体Ａと同様、鋼板溶接継手２０に脆性き裂が発生した場合でも、この脆性き裂を、アレスタ溶接継手６を介してアレスタ材５に確実に突入させることができる（図４中の二点鎖線矢印を参照）。そして、アレスタ材５に突入した脆性き裂は、アレスタ材５内で確実に停止するので、鋼板溶接継手２０が破断せず、また、溶接構造体Ｂに大規模な破壊が生じるのを防止することが可能となる。
【００６７】
［第３の実施形態］
以下、本発明の第３の実施形態である溶接構造体Ｃについて、主に図５を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、上述の第１及び第２の実施形態の溶接構造体Ａ、Ｂと共通する構成については、同じ符号を付与するとともに、その詳細な説明を省略する。
【００６８】
本実施形態の溶接構造体Ｃは、図５に示すように、鋼板１０Ａが、鋼板溶接継手２０Ａの長手方向で配列される少なくとも２以上の小鋼板（図５中の符号３１〜３４を参照）からなるとともに、この小鋼板同士を突合せ溶接することで小鋼板溶接継手３５、３６が形成されている。また、溶接構造体Ｄは、図示例のように、小鋼板溶接継手３５、３６が、鋼板溶接継手２の長手方向で、アレスタ材５の溶接線Ｌ上における上縁部５１、５２の頂部５ａと反対側の下縁部５５側に形成されるアレスタ溶接継手６を含む構成である。
また、図示例の溶接構造体Ｃは、小鋼板溶接継手３５、３６が連なって直線状に形成されている。
【００６９】
溶接構造体Ｃによれば、上述の溶接構造体Ａ、Ｂと同様、鋼板溶接継手２０Ａに脆性き裂が発生した場合でも、アレスタ材５の上縁部５１、５２に沿って形成されるアレスタ溶接継手６０を介して、脆性き裂を確実にアレスタ材５に突入させることができる（図５中の二点鎖線矢印を参照）。
そして、アレスタ材５に突入した脆性き裂は、脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａの高い鋼材からなるアレスタ材５において直ちに停止するので、溶接構造体Ｃに大規模な破壊が生じるのを防止することが可能となる。
【００７０】
また、溶接構造体Ｃにおいては、小鋼板溶接継手３５、３６をなす溶接金属部の靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ４（℃）と、鋼板１０Ａの母材靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ１（℃）との関係が、次式｛ｖＴｒＳ４（℃）≦ｖＴｒＳ１（℃）＋２０（℃）｝で表される関係を満たす構成とされている。これにより、例えば、図５中における下側の方向から脆性き裂が溶接継手２０Ａを伝播してきた場合でも、この脆性き裂が溶接継手３５又は溶接継手３６を伝播してアレスタ材５に突入し易くなるので、このアレスタ材５によって脆性き裂を停止させることが可能となる。
【実施例】
【００７１】
以下、本発明に係る耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体の実施例を挙げ、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、もとより下記実施例に限定されるものではなく、前、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００７２】
［溶接構造体の製造］
まず、製鋼工程において溶鋼の脱酸・脱硫と化学成分を制御し、連続鋳造によって下記表１に示す化学成分の鋳塊を作製した。そして、日本海事協会（ＮＫ）規格船体用圧延鋼材ＫＡ３２、ＫＡ３６、ＫＡ４０の規格に準じた製造条件で、前記鋳塊を再加熱して厚板圧延することで鋼板を製造した。さらに、この鋼板に対して各種熱処理を施すとともに、この際の条件を制御することにより、母材の脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａ（Ｎ／ｍｍ１．５）を、下記表１に示す形態で適宜調整した。なお、製造した鋼板から、試験片のサイズが５００ｍｍ×５００ｍｍ×板厚のＥＳＳＯ試験（脆性き裂伝播停止試験）片を適宜採取し、−１０℃におけるＫｃａ特性を評価・確認した。
【００７３】
次に、図７（ａ）に示すように、鋼板１の溶接端１１、１２に開口するように、貫通孔３ａ、３ｂを形成した。そして、貫通孔３ａ、３ｂの各々が溶接線Ｌを中心として対称の貫通孔３を形成するように、各々の鋼板１の溶接端１１、１２を突合せ溶接し、鋼板溶接継手２を形成することにより、鋼板１同士を接合した。
【００７４】
次に、下記表２に示す鋼特性及び形状とされた鋼板からなるアレスタ材５を、鋼板１を貫通するように貫通孔３の内部に挿入した。そして、アレスタ材５の外縁部５１、５２、横縁部５３、５４並びに下縁部５５を、鋼板１において貫通孔３によって露出した溶接端に対して着き合わせ溶接してアレスタ材溶接継手６を形成することで、アレスタ材５と鋼板１とを接合した。以上の手順により、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌを中心として鋼板１の各々において対称となるように、アレスタ材５とアレスタ材溶接継手６とからなる耐き裂制御部４を形成した。
【００７５】
また、図８（ｂ）、（ｃ）に示すように、下縁部の位置が、鋼板１の下端から中心位置で１５００ｍｍとなる場所にアレスタ材５を配した。また、図７（ｂ）に示すように、アレスタ材５の上縁部５１、５２、横縁部５３、５４及び下縁部５５、並びに、鋼板１の貫通孔３内に露出する溶接端には、板厚方向中心を頂点として１３０°（水平ラインに対して２５°）となるように面取り処理を施した。また、アレスタ材５の各縁部と、鋼板１の貫通孔３内に露出する溶接端との間は、前記頂点において約３ｍｍのクリアランスを持たせた状態として溶接処理を行なった。
【００７６】
なお、上記手順における鋼板１同士の突合せ溶接、及び、鋼板１とアレスタ材５との突合せ溶接は、炭酸ガスアーク溶接（ＣＯ２溶接）によって行なうとともに、この際の溶接材料として、高Ｎｉ成分とされた溶接ワイヤを用いた。また、各溶接継手の形成箇所においては、新たなき裂の起点が生じるのを防止するため、各溶接継手を溶接金属で完全に充填するように溶接処理を行なった。その後、各溶接継手を冷却することにより、図１に示すような溶接構造体（本発明例、実験例）を製造した。
また、上記同様、各鋼板及びアレスタ材を接合することにより、図４〜図６に示すような溶接構造体（本発明例、実験例）を製造した。
【００７７】
［評価試験］
上記手順によって製造した溶接構造体について、以下のような評価試験を行った。
まず、図８（ａ）に示すような試験装置９０を準備するとともに、上記手順で作製した溶接構造体のサンプルの各々を適宜調整し、試験装置９０に取り付けた。ここで、図８（ｂ）、（ｃ）中に示す鋼板溶接継手２に設けたき裂発生部である窓枠８１は、楔をあてがって所定の応力を印加することで強制的に脆性き裂を発生させるためのものであり、切欠き状の先端部は０．２ｍｍ幅のスリット加工を施したものである。
次いで、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌと垂直方向に２６２Ｎ／ｍｍ２の引張応力を付与することにより、鋼板溶接継手２に脆性き裂を発生させた。そして、この脆性き裂を、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌ上で伝播させることにより、溶接構造体の耐脆性き裂伝播性を評価した。この際の雰囲気温度は−１０℃とした。
そして、鋼板溶接継手２を伝播した脆性き裂が、耐き裂制御部４をなすアレスタ溶接継手６に到達した後、その脆性き裂が伝播する方向及び停止位置を確認し、以下に示す４段階（◎〜×）で評価し、下記表２に示した。
（１）「◎」…脆性き裂がアレスタ溶接継手に到達した後、アレスタ材に突入し、直ちに停止した。
（２）「△」…脆性き裂がアレスタ溶接継手に到達した後、このアレスタ溶接継手に沿って伝播し、次いで再び鋼板溶接継手に戻り、鋼板溶接継手を伝播した。
（３）「×」…脆性き裂がアレスタ溶接継手に到達した後、このアレスタ溶接継手に進入し、さらにアレスタ材を貫通した後、そのまま鋼板溶接継手を伝播した。
【００７８】
本実施例で用いた鋼板の化学成分組成、鋼板製造条件及び母材の脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａ（Ｎ／ｍｍ１．５）の一覧を表１に示すとともに、アレスタ材５の鋼板特性及び形状、アレスタ溶接継手６を形成する際の溶接条件、鋼板１を突合せ溶接して鋼板溶接継手２を形成する際の溶接条件、及び、脆性き裂の伝播の評価結果の一覧を表２に示す。
【００７９】
【表１】
【００８０】
【表２】
【００８１】
［評価結果］
表２に示す本発明例１〜８は上述した本発明の第１の実施形態の溶接構造体Ａに関する例であり、本発明例９〜１１は本発明の第２の実施形態の溶接構造体Ｂ、本発明例１２、１３は第３の実施形態の溶接構造体Ｃに関する例である。また、表２に示す実験例１〜４は、図２に示す溶接構造体Ａと同様の構造を有する例であり、実験例５〜７は、図４に示す溶接構造体Ｂと同様の構造を有する例である。
【００８２】
なお、上記各例において、本発明例１、２、４、６、８、１１〜１３、並びに実験例１〜５は、何れも、図２に示すように、平面視略四角形のアレスタ材を、外縁部の鋼板溶接継手の長手方向に対する角度が９０°となるように溶接構造体を製造した例である。また、本発明例６並びに実験例７は、何れも、平面視略四角形のアレスタ材を、外縁部の鋼板溶接継手の長手方向に対する角度が表２に示す角度となるように、鋼板上における形成位置及び角度を適宜調整した例である。また、本発明例３、７、１０、並びに実験例６は、何れも、平面視略四角形のアレスタ材を、外縁部の鋼板溶接継手の長手方向に対する角度が表２に示す所定の角度となるように、直線状とされた上縁部が横縁部に対して傾斜するように形成したものである。
【００８３】
表１及び表２に示すように、本発明に係る溶接構造体（本発明例１〜１３）は、脆性き裂の伝播の評価結果が、全て「◎」の評価となった。これにより、本発明の溶接構造体が、溶接継手に脆性き裂が発生した場合であっても、き裂が溶接継手や母材を伝播するのを抑制でき、溶接構造体の破断を防止することが可能であり、耐脆性き裂伝播性に優れていることが確認できた。
【００８４】
ここで、本発明例４、８は、何れも、アレスタ材の板厚が鋼板の母材及び溶接継手の厚さよりも大きな例であるが、鋼板溶接継手に生じた脆性き裂が、アレスタ材溶接継手に到達した後にアレスタ材に突入し、アレスタ材で直ちに停止し、所定の耐脆性き裂伝播性を発揮することができた。
また、本発明例５、７は、何れも、アレスタ材の板厚が鋼板の母材及び溶接継手の厚さよりも小さな例であるが、上記同様、鋼板溶接継手に生じた脆性き裂が、アレスタ材で直ちに停止し、所定の耐脆性き裂伝播性を発揮することができた。
【００８５】
これに対し、実験例１〜７の溶接構造体は、アレスタ材の鋼板特性又は形状の何れかが本発明の規定を満たしていないため、耐脆性き裂伝播性の評価が何れも「×」となった例である。
【００８６】
実験例１の溶接構造体は、アレスタ材の高さＨが不充分であるため、脆性き裂がアレスタ溶接継手及びアレスタ材に突入した後、脆性き裂を停止できず、再び脆性き裂が鋼板溶接継手を伝播した例であり、耐脆性き裂伝播性の評価が「×」となった。
また、実験例２は、アレスタ材の板厚ｔが不充分であるため、上記同様、脆性き裂を停止できず、再び脆性き裂が鋼板溶接継手を伝播した例であり、耐脆性き裂伝播性の評価が「×」となった。
【００８７】
また、実験例３は、アレスタ材の板厚Ｔと高さＨが不充分であるとともに、アレスタ材のＫｃａ特性が不充分であり、上記同様、アレスタ材で脆性き裂を停止することができなかった例であり、耐脆性き裂伝播性の評価が「×」となった。
また、実験例４は、アレスタ材のＫｃａ特性が不充分であったため、上記同様、アレスタ材で脆性き裂を停止することができなかった例であり、耐脆性き裂伝播性の評価が「×」となった。
【００８８】
また、実験例５は、アレスタ材の横幅Ｗが不適であるため、アレスタ溶接継手に沿って脆性き裂が迂回し、そのまま鋼板溶接継手を伝播し、耐脆性き裂伝播性の評価が「×」となった。
また、実験例６、７は、何れも、アレスタ材の外縁部の鋼板溶接継手の長手方向に対する角度が本発明の規定範囲外であり、アレスタ材に脆性き裂を導入することができず、アレスタ溶接継手を迂回した後、そのまま鋼板溶接継手を伝播した例であり、耐脆性き裂伝播性の評価が「×」となった。
【００８９】
以上の結果により、本発明の溶接構造体が、溶接継手に脆性き裂が発生した場合であっても、き裂が溶接継手や母材を伝播するのを抑制でき、溶接構造体の破断を防止することが可能であり、耐脆性き裂伝播性に優れていることが明らかである。
【符号の説明】
【００９０】
Ａ、Ｂ、Ｃ…溶接構造体、１、１０、１０Ａ…鋼板、２、２０、２０Ａ…鋼板溶接継手、３、３ａ、３ｂ…貫通孔、４…耐き裂制御部、５…アレスタ材、５１、５２…上縁部、５５…下縁部、６、６０…アレスタ溶接継手、２５、２６、３５、３６…小鋼板溶接継手、２１、２２、２３、２４、３１、３２、３３、３４…小鋼板、７０…船舶構造体、Ｌ…溶接線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接継手に脆性き裂が発生した場合に、脆性き裂の伝搬を制御、抑制する耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体に関する。具体的には、大型コンテナ船やバルクキャリア等の船舶用溶接構造体の他、建築構造物や土木鋼構造物等、厚板を用いて溶接を適用した溶接構造物の溶接継手において発生する可能性がある、脆性き裂の伝播を制御、抑制して安全性を向上させるための耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大型コンテナ船やバルクキャリア等の船舶用溶接構造体、建築構造物や土木鋼構造物等に代表される溶接構造物においては、脆性き裂等の破壊に対する高い安全性が求められるようになっている。特に、コンテナ船等は大型化が顕著であり、例えば、６０００ＴＥＵ以上の大型コンテナ船が製造されるようになり、船殻外板の鋼板が厚肉化並びに高強度化し、板厚７０ｍｍ以上で降伏強度３９０Ｎ／ｍｍ２級以上の鋼板が用いられるようになっている。ここで、ＴＥＵ（Ｔｗｅｎｔｙ ｆｅｅｔ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｕｎｉｔ）とは、長さ２０フィートのコンテナに換算した個数を表し、コンテナ船の積載能力の指標を示している。このようなコンテナ船は、積載能力や荷役効率の向上のため、仕切り壁を無くして上部開口部を大きく確保した構造とされており、特に、船殻外板や内板の強度を確保する必要があるため、上記高強度鋼板が好適に用いられる。
【０００３】
上述のような溶接構造物を建造する際、建造コストの低減や建造効率向上を目的として、大入熱溶接（例えば、エレクトロガスアーク溶接等）が広く適用されている。特に、鋼板の板厚が増すほど溶接工数が著しく増加するため、極限まで大入熱で溶接を行なうことが要求される。しかしながら、鋼板の溶接に大入熱溶接を適用した場合、溶接熱影響部（ＨＡＺ：Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ）の靭性が低下し、ＨＡＺの幅も増大するため、脆性破壊に対する破壊靭性値が低下する傾向にある。
【０００４】
このため、溶接継手において脆性き裂が発生するのを抑制するとともに、脆性き裂の伝播停止（アレスト）を達成することを目的として、耐脆性破壊特性に優れたＴＭＣＰ鋼板（Ｔｈｅｒｍｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ：熱加工制御）が提案されている。上記ＴＭＣＰ鋼板を用いることにより、脆性破壊発生に対する抵抗値である破壊靭性値が向上するため、通常の使用環境では脆性破壊する可能性は極めて低くなる。しかしながら、地震や構造物同士の衝突の事故や災害等の際に、万が一、脆性破壊が生じると、脆性き裂がＨＡＺを伝播して大きな破壊が生じる虞がある。
【０００５】
例えば、コンテナ船等に代表される溶接構造体では、板厚５０ｍｍ程度のＴＭＣＰ鋼板等が使用され、万が一、溶接継手で脆性き裂が発生しても、溶接残留応力によって脆性き裂が溶接部から母材側に逸れるので、母材のアレスト性能を確保すれば、脆性き裂を母材で停止できると考えられていた。また、６０００ＴＥＵを超える大型コンテナ船等、さらに大型の溶接構造体においては、より大きな板厚の鋼板が必要となり、さらに、構造を簡素化するうえで鋼板の厚肉化が有効であることから、設計応力が高い高張力鋼の厚鋼板を用いることが求められていた。しかしながら、このような厚鋼板を用いた場合、ＨＡＺの破壊靭性の程度によっては、脆性き裂が母材に逸れること無くＨＡＺに沿って伝播する虞がある。
【０００６】
上記問題を解決するため、突合せ溶接継手の一部に補修溶接を施し、ＨＡＺに沿って伝播する脆性き裂を母材側に逸らせる構成とされた溶接構造体が提案されている（例えば、特許文献１）。しかしながら、特許文献１の溶接構造体では、母材の破壊靭性が非常に優れている場合には有効であるが、母材の破壊靭性が不充分な場合には、母材側に逸れた脆性き裂が長く伝播し、構造物としての強度が著しく低下する虞がある。また、補修溶接部のボリュームが大きめとなり、工程時間が長くなるとともに、製造コストも増大するという問題がある。
【０００７】
また、溶接継手に発生する脆性き裂の伝播を停止させたい領域に、板状のアレスタ材が溶接線と交差するように貫通して溶接され、アレスタ材として、表面や裏面の板厚比２％以上の厚みの表層域における集合組織が適正化されたものを用いる溶接構造体が提案されている（例えば、特許文献２）。しかしながら、特許文献２に記載の溶接構造体を大型建造物に適用した場合、例えば、溶接継手を伝播した脆性き裂が、アレスタ材を鋼板に溶接する溶接継手を伝播してアレスタ材に突入し、そのままアレスタ材の内部を伝播した後、再び溶接継手を伝播する虞がある。一方、溶接継手を伝播した脆性き裂が、アレスタ材及び該アレスタ材を鋼板に溶接する溶接継手の位置で母材側に逸れた場合には、上記同様、母材の破壊靭性が不充分だと脆性き裂が長く伝播し、溶接構造物としての強度が著しく低下するという問題も懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１３１７０８号公報
【特許文献２】特開２００７−０９８４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、例え、溶接継手に脆性き裂が発生した場合であっても、脆性き裂が溶接継手や母材を伝播するのが抑制でき、溶接構造体の破断を防止することが可能な、耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、溶接構造体の溶接継手に脆性き裂が発生した場合に、脆性き裂が溶接継手や母材を伝播するのを防止するため、鋼板間の溶接継手上に設けるアレスタ材や、アレスタ材と鋼板とを溶接する溶接継手について鋭意研究した。この結果、アレスタ材の形状並びに鋼材特性を適正化することにより、溶接継手及び母材における脆性き裂の伝播を抑制し、溶接構造体に大規模な破壊が発生するのを未然防止できることを見出し、本発明を完成した。
即ち、本発明の要旨は、特許請求の範囲に記載した以下の内容に関する。
【００１１】
［１］ 鋼板同士を突合せ溶接することで鋼板溶接継手が形成されてなる耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体であって、該鋼板溶接継手の少なくとも一部に、前記鋼板を貫通するように設けられ、脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａが６０００Ｎ／ｍｍ１．５以上の鋼材からなるアレスタ材と、該アレスタ材が前記鋼板に対して突合せ溶接されることで形成されるアレスタ溶接継手とからなる耐き裂制御部が備えられており、前記アレスタ材は、前記鋼板溶接継手の溶接線上から延在する外縁部が、前記鋼板溶接継手の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲の角度で傾斜又は直交するように形成されていること、を特徴とする耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
【００１２】
［２］ 前記アレスタ材は、前記鋼板溶接継手の長手方向に沿った高さＨ、前記鋼板溶接継手の長手方向と交差する方向における横幅Ｗ、及び板厚ｔの各々の寸法が、下記（１）〜（３）式で表される関係を満足すること、を特徴とする上記［１］に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
２Ｔ ≦ Ｈ ・・・・・ （１）
３．２ｄ＋５０ ≦ Ｗ ・・・・・ （２）
０．９０Ｔ ≦ ｔ ・・・・・ （３）
｛但し、上記（１）〜（３）式中において、Ｔは前記鋼板の板厚を表し、ｄは前記鋼板溶接継手における溶接金属部の幅を表す｝
［３］ 前記アレスタ溶接継手をなす溶接金属部の靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ３（℃）と、前記鋼板の母材靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ１（℃）との関係が、次式｛ｖＴｒＳ３（℃）≦ｖＴｒＳ１（℃）＋２０（℃）｝で表される関係を満たすこと、を特徴とする上記［１］又は［２］に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
［４］ 前記鋼板の板厚が２５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下であること、を特徴とする上記［１］〜［３］の何れか１項に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
【００１３】
［５］ 前記鋼板は、前記鋼板溶接継手の長手方向で配列される少なくとも２以上の小鋼板からなるとともに、前記小鋼板同士を突合せ溶接することで小鋼板溶接継手が形成されており、前記小鋼板溶接継手は、前記鋼板溶接継手の長手方向で、前記アレスタ材の前記溶接線上における前記上縁部の頂部と反対側の下縁部側に形成される前記アレスタ溶接継手に接して設けられること、を特徴とする上記［１］〜［４］の何れか１項に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
［６］ 前記鋼板は、前記鋼板溶接継手の長手方向で配列される少なくとも２以上の小鋼板からなるとともに、前記小鋼板同士を突合せ溶接することで小鋼板溶接継手が形成されており、前記小鋼板溶接継手は、前記鋼板溶接継手の長手方向で、前記アレスタ材の前記溶接線上における前記上縁部の頂部と反対側の下縁部側に形成される前記アレスタ溶接継手を含むとともに、前記小鋼板溶接継手をなす溶接金属部の靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ４（℃）と、前記鋼板の母材靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ１（℃）との関係が、次式｛ｖＴｒＳ４（℃）≦ｖＴｒＳ１（℃）＋２０（℃）｝で表される関係を満たすこと、を特徴とする上記［１］〜［４］の何れか１項に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
【００１４】
なお、本発明で規定する脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａは、当該溶接構造体が使用される温度、あるいは設計温度における数値である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体によれば、鋼板同士を突合せ溶接することで鋼板溶接継手が形成され、該鋼板溶接継手上に、鋼板を貫通するように設けられ、脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａが６０００Ｎ／ｍｍ１．５以上の鋼材からなるアレスタ材と、該アレスタ材が鋼板に対して突合せ溶接されることで形成されるアレスタ溶接継手とからなる耐き裂制御部が備えられており、アレスタ材は、鋼板溶接継手の溶接線上から延在する外縁部が、鋼板溶接継手の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲の角度で傾斜又は直交するように形成されてなる構成なので、例え、溶接継手に脆性き裂が発生した場合であっても、脆性き裂が溶接継手や母材を伝播するのが抑制できる。従って、大規模な破壊が発生するのを未然防止することが可能な溶接構造体を、高い生産効率及び低コストで得ることができる。このような本発明に係る溶接構造体が、大型船舶をはじめ、建築構造物や土木鋼構造物等の各種溶接構造物に使用されることで、溶接構造物の大型化、破壊に対する高い安全性、建造における溶接の高能率化、鋼材の経済性等々が同時に満たされことから、その産業上の効果は計り知れない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の一例を説明する模式図であり、鋼板同士が溶接されて形成された鋼板溶接継手の一部に、アレスタ材及びアレスタ溶接継手からなる耐き裂制御部が設けられた状態を示す平面図である。
【図２】本発明に係る耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の一例を説明する模式図であり、図１に示す溶接構造体のき裂伝播特性を説明する要部拡大図である。
【図３】本発明に係る耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の一例を説明する模式図であり、本発明に係る溶接構造体を船舶用溶接構造体に適用した場合について説明する概略図である。
【図４】本発明に係る耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の他の例を説明する模式図である。
【図５】本発明に係る耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の他の例を説明する模式図である。
【図６】本発明に係る耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の実施例について説明する模式概略図である。
【図７】本発明に係る耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の実施例について説明する模式概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体の実施の形態について図面を適宜参照しながら詳細に説明する。なお、本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために詳細に説明するものであるから、特に指定の無い限り、本発明を限定するものではない。
【００１８】
図１〜図４は、本発明に係る耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体（以下、単に溶接構造体と略称することがある）を説明する模式図である。図１は本発明の第１の実施形態である溶接構造体Ａを示す平面図であり、図２は図１に示す溶接構造体Ａのき裂伝播特性を説明する要部拡大図である。また、図３は本発明に係る溶接構造体を船舶用溶接構造体に適用した場合について説明する概略図であり、図４は本発明に係る溶接構造体の第２の実施形態について説明する平面図、図５は第３の実施形態について説明する平面図である。なお、以下の説明において参照する図面は、本発明に係る溶接構造体を説明する図面であって、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の溶接構造体等の寸法関係とは異なる場合がある。
【００１９】
［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態である溶接構造体Ａについて詳述する。
本実施形態の溶接構造体Ａは、図１（図２も参照）に示すように、鋼板１同士を突合せ溶接することで鋼板溶接継手２が形成されてなり、該鋼板溶接継手２の少なくとも一部に、鋼板１を貫通するように設けられ、脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａが６０００Ｎ／ｍｍ１．５以上の鋼材からなるアレスタ材５と、該アレスタ材５が鋼板１に対して突合せ溶接されることで形成されるアレスタ溶接継手６とからなる耐き裂制御部４が備えられており、アレスタ材５は、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌ上から延在する外縁部５０（５１、５２）が、鋼板溶接継手２の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲の角度で傾斜又は直交するように形成されてなり、概略構成される。また、図１に示す例の溶接構造体Ａは、アレスタ材５が、外縁部５１、５２の鋼板溶接継手２の長手方向に対する角度が９０°とされることで、外縁部５１、５２が鋼板溶接継手２に対して共に直交し、平面視略四角形の長方形に形成されている。
【００２０】
『鋼板』
鋼板１としては、船舶用溶接構造体、建築構造物及び土木鋼構造物等の分野において従来公知の鋼板特性を備えるものを、何ら制限無く用いることができ、その化学成分組成や金属組織等については限定されない。
また、鋼板１としては、以下に説明する化学成分組成とされたものを用いることが、鋼板１を用いて形成される鋼板溶接継手２の耐脆性き裂発生性能が得られる点からより好ましい。なお、以下の説明における各元素の「％」は、特に説明が無い限り、「質量％」を表すものとある。
【００２１】
「Ｃ：炭素」（０．０１〜０．１８％）
Ｃは、鋼板の強度向上のために重要かつ最も基本的な元素であり、この効果を得るためには０．０１％以上を添加することが好ましい。しかしながら、０．１８％を超えてＣを添加すると、鋼材の溶接性や靱性の低下を招くので、その上限を０．１８％とした。
【００２２】
「Ｓｉ：ケイ素」（０．０１〜０．５ ％）
Ｓｉは、鋼板の脱酸作用を促進する元素であり、通常０．０１％以上を添加するが、強力な脱酸元素であるＡｌが充分に添加されている場合には不要である。また、０．５％を超えてＳｉを添加すると、溶接による鋼材の熱影響部の靱性を低下させるので０．５％を上限とする。
【００２３】
「Ｍｎ：マンガン」（０．６〜２.５％）
Ｍｎは、経済的に強度を確保するために０．６ ％以上を添加することが好ましい。しかしながら、２.５％を超えてＭｎを添加すると、溶接による鋼材の熱影響部の靱性を著しく阻害するため、その範囲を０．６〜２.５ ％とした。
【００２４】
「Ｐ：リン」（０．０１％以下）
Ｐは、不純物元素であるので、良好な脆性き裂伝播停止特性や大入熱溶接熱影響部の靭性を安定的に確保するためには、その含有量を０．０１％以下に制限することが好ましい。
【００２５】
「Ｓ：硫黄」（０．００１〜０．０２％）
Ｓは、０．０２％を超えて過剰に添加されると粗大な硫化物の生成の原因となり靱性を阻害するため、その含有される上限を０．０２％とした。しかしながら、大入熱溶接熱影響部でのピン止め効果を得るため、Ｓを０．００１ ％以上で添加することが好ましい。
【００２６】
なお、鋼板には、上記元素に加え、さらに、以下に説明するような元素を選択的に添加することにより、鋼板特性をより向上させることが可能となる。また、以下に説明する選択的添加元素においては、その含有量の上限及び下限について特に限定するものではないが、下記範囲で添加することにより、より効果を発揮しやすい。
【００２７】
「Ｂ：ボロン（ホウ素）」（０．０００１〜０．００５％）
Ｂは、Ｍｏとの複合効果によって焼入性を高め、強度を効果的に高める元素であり、このような効果を得るためには０．０００１％以上の添加が好ましい。しかしながら、Ｂの過剰の添加は靱性の低下を招くため、その上限を０．００５％とした。
【００２８】
「Ｍｏ：モリブデン」（０．０１〜１．０％）
Ｍｏは、上述したように、Ｂとの複合効果によって焼入性を高め、強度を効果的に高める元素であり、このような効果を得るためには０．０１％以上の添加が好ましい。しかしながら、１．０％を超えた多量のＭｏの添加は、必要以上の鋼板の強化とともに、靱性の著しい劣化をもたらすため、その範囲を０．０１〜１．０％とした。
【００２９】
「Ａｌ：アルミニウム」（０．００５〜０．１％）
Ａｌは、脱酸を担い、Ｏ（酸素）を低減して鋼の清浄度を高めるために必要な元素である。また、Ａｌ以外のＳｉ、Ｔｉ、Ｃａ、Ｍｇ等の元素も脱酸作用があるが、例え、これらの元素が添加される場合でも、安定的にＯを低減するためには、０．００５％以上でＡｌが添加されていることが好ましい。但し、Ａｌの含有量が０．１％を超えると、アルミナ系粗大酸化物がクラスター化する傾向を強め、製鋼設備のノズル詰まりが生じたり、破壊起点としての有害性が顕在化したりする虞があるため、これを上限とすることが好ましい。
【００３０】
「Ｔｉ：チタン」（０．００３〜０．０５％）
Ｔｉは、微量の添加で結晶粒の微細化に有効であり、０．００３％以上添加する。しかしながら、Ｔｉを０．０５％超で添加すると、溶接による鋼板の熱影響部靭性を劣化させるため、上限を０．０５％とした。
【００３１】
「Ｃａ：カルシウム」（０．０００１〜０．００３％）
Ｃａは、鋼中で酸化物を形成しオーステナイト粒の成長を抑制する作用があることから添加するが、０．００３％を超えて添加すると、粗大な酸化物が生成し易くなり、母材、及び、溶接による鋼板の熱影響部靱性の低下をもたらす。しかしながら、０．０００１％未満のＣａの添加では、ピニング粒子として必要な酸化物の生成が充分に期待できなくなるため、その添加範囲を０．０００１〜０．００３％に限定した。
【００３２】
「Ｍｇ：マグネシウム」（０．０００１〜０．００５％）
Ｍｇは、鋼中で複合酸化物を形成し、旧オーステナイト粒の成長を抑制することから添加するが、０．０００１％未満の添加ではピニング粒子として必要な酸化物の生成が十分に期待できなくなるため、下限を０．０００１％とした。また、０．００５％を超えてＭｇを添加すると、粗大な酸化物が生成し易くなり、母材、及び、溶接による鋼板の熱影響部靱性の低下をもたらす。よって、その添加範囲を０．０００１〜０．００４％に限定した。
【００３３】
「Ｖ：バナジウム」（０．００１〜０．１８％）
Ｖは、母材を強化しつつ、大入熱溶接熱影響部の靭性を高める有効な元素である。また、Ｖは、炭化物、窒化物を形成して強度の向上効果がある元素であるが、０．００１％未満の添加ではその効果がなく、０．１８％を超える添加では、逆に靱性の低下を招くため、その範囲を０．００１〜０．１８％とした。
【００３４】
「Ｎｉ：ニッケル」（０．０１〜５．５％）
Ｎｉは、靭性の劣化を抑えて強度を確保するために有効であり、このような効果を得るためには０．０１％以上で添加することが好ましい。しかしながら、Ｎｉはコストが非常に高いという問題があるので、５．５％未満に抑制することが好ましく、また、上記範囲内において、極力低い含有量とすることがより好ましい。
【００３５】
「Ｎｂ：ニオブ」（０．００５〜０．０５％）
Ｎｂは、仕上圧延における未再結晶域圧延を促すために有効であり、このような作用を得るためには０．００５％以上添加することが好ましい。また、０．０５％を超えてＮｂを添加すると靱性の低下を招くため、その範囲を０．００５〜０．０５％とする。
【００３６】
「Ｃｕ：銅」（０．０１〜３．０％）
Ｃｕは、強度を確保するために有効であり、０．０１％以上の添加量で効果を発揮する。一方、Ｃｕは、大入熱溶接熱影響部の靭性を劣化させる作用も持ち合わせ、１．０％を超えると鋼材製造時の加熱時に割れが生じる可能性があることから、その含有量は、３．０％を上限とすることが好ましい。
【００３７】
「Ｃｒ：クロム」（０．０１〜１．０％）
Ｃｒは、強度を確保するために有効であり、０．０１％以上の添加量で効果を発揮する。一方、Ｃｒは、大入熱溶接熱影響部の靭性を劣化させる作用も持ち合わせることから、その含有量は、１．０％を上限とすることが好ましい。
【００３８】
「ＲＥＭ：希土類元素」（０．０００５〜０．０５％）
ＲＥＭは、硫化物を生成することによって伸長ＭｎＳの生成を抑制し、鋼材の板厚方向の特性、特に。耐ラメラティア性を改善する効果がある。このような効果は、０．０００５％未満のＲＥＭの添加では得られないので、これを下限値にする。また、０．０５％を超えてＲＥＭを添加すると、粗大な酸化物個数が増加し、超微細なＭｇ含有酸化物の個数が低下するため、その上限を０．０５％とした。
【００３９】
図１に示すように、本実施形態の溶接構造体Ａでは、上記構成とされた鋼板１同士が突合せ溶接されることにより、鋼板溶接継手２が形成される。また、この鋼板溶接継手２によって接合される鋼板１の各々には、詳細を後述するアレスタ材５を貫通させて設けるための貫通孔３が、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌを中心として、鋼板１の各々において対称となるように設けられている。
【００４０】
鋼板１の板厚は、２５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下の範囲とすることが好ましい。鋼板１の板厚がこの範囲であれば、溶接構造体としての鋼板強度を確保することができるとともに、詳細を後述するように、優れた耐脆性き裂伝播性を得ることが可能となる。
【００４１】
『アレスタ材』
アレスタ材５は、図１及び図２に示すように、鋼板溶接継手２によって接合される鋼板１の各々に貫通して形成された貫通孔３の内部に、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌを中心として鋼板１の各々において対称となるように、鋼板１を貫通するように設けられる。また、アレスタ材５は、鋼板１に形成された貫通孔３内に露出する溶接端に対して突合せ溶接されることで形成されるアレスタ溶接継手６とともに、耐き裂制御部４を構成する。
アレスタ材５は、上述したような耐き裂制御部４を構成することにより、仮に、鋼板溶接継手２にき裂が生じた場合でも該き裂の伝播方向を制御し、鋼板溶接継手２を貫くようにき裂が伝播して互いに溶接された鋼板１同士が分断するのを防止するものである。
【００４２】
本実施形態で用いられるアレスタ材５は、脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａ＝６０００Ｎ／ｍｍ１．５以上の鋼材から構成される。また、図１に示す例のアレスタ材５は、頂部５ａから延在する外縁部５１、５２が、鋼板溶接継手２の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲の角度で傾斜又は直交するように形成されている。また、図示例のアレスタ材５は、外縁部５１、５２の鋼板溶接継手２の長手方向に対する角度が９０°とされることで、外縁部５１、５２が鋼板溶接継手２に対して共に直交し、直線状に連なって形成されている。そして、外縁部５１、５２の後端５１ａ、５２ａに横縁部５３、５４が各々連なるように形成されるとともに、これら横縁部５３、５４の他端側には下縁部５５が形成され、平面視略四角形の長方形に構成されている。
【００４３】
アレスタ材５は、上述のように、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌ上に配された頂部５ａから延在する外縁部５１、５２が、鋼板溶接継手２の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲の角度で傾斜又は直交することが好ましい。外縁部５１、５２の鋼板溶接継手２の長手方向に対する角度を上記範囲とし、外縁部５１、５２が鋼板溶接継手２に対して傾斜又は直交するように形成することにより、仮に、鋼板溶接継手２を伝播する脆性き裂が生じた場合でも、このき裂を確実にアレスタ材５に導入して脆性き裂を効果的に停止させ、溶接構造体Ａに大規模な破壊が生じるのを防止することができる。
【００４４】
鋼板溶接継手の長手方向に対するアレスタ材の外縁部の角度が６０°未満だと、鋼板溶接継手を伝播した脆性き裂が鋼板の母材側に逸れてしまい、アレスタ材に脆性き裂を導入するように制御するのが困難になる可能性がある。このため、鋼板溶接継手を伝播した脆性き裂がアレスタ溶接継手に沿って進行し、き裂の伝播が停止し難くなる虞がある。
また、鋼板溶接継手の長手方向に対するアレスタ材の外縁部の角度が１２０°を超えても、上記同様、脆性き裂がアレスタ材に突入することなくアレスタ溶接継手に沿って進行し、き裂の伝播が停止し難くなる虞がある。
【００４５】
アレスタ材５の材質としては、上述のような脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａ＝６０００Ｎ／ｍｍ１．５以上の特性を有する鋼板であれば、その化学成分組成や製造方法、組織等は特に限定されず、適宜採用することが可能である。このような鋼板を用いることにより、仮に鋼板溶接継手２にき裂が生じた場合であっても、このき裂の伝播方向を効果的に逸らして制御することが可能となる。
【００４６】
本実施形態の溶接構造体Ａに用いられるアレスタ材５は、鋼板溶接継手２の長手方向に沿った高さＨ、鋼板溶接継手２の長手方向と交差する方向における横幅Ｗ、及び板厚ｔの各々の寸法が、下記（１）〜（３）式で表される関係を満足することがより好ましい。
２Ｔ ≦ Ｈ ・・・・・ （１）
３ｄ＋５０ ≦ Ｗ ・・・・・ （２）
０．９０Ｔ ≦ ｔ ・・・・・ （３）
但し、上記（１）〜（３）式中において、Ｔは前記鋼板の板厚を表し、ｄは前記鋼板溶接継手における溶接金属部の幅を表す。
【００４７】
アレスタ材５の各寸法値を上記関係とすることにより、仮に、鋼板溶接継手２にき裂が生じた場合であっても、き裂の伝播をアレスタ材５に導入し、このアレスタ材５でき裂を停止させることが可能となる。アレスタ材の各寸法値の関係が、上記（１）〜（３）式で表される関係を満たさない場合、鋼板溶接継手に生じたき裂の状態によっては、このき裂がアレスタ材から逸れてしまい、鋼板の母材特性によっては、脆性き裂を停止できない可能性がある。
【００４８】
またさらに、本実施形態の溶接構造体Ａにおいては、アレスタ溶接継手６をなす溶接金属部の靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ３（℃）と、鋼板１の母材靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ１（℃）との関係が、次式｛ｖＴｒＳ３（℃）≦ｖＴｒＳ１（℃）＋２０（℃）｝で表される関係を満たすことがより好ましい。アレスタ溶接継手６をなす溶接金属部の靱性と鋼板１の母材靱性との関係が上記関係式を満たすことにより、仮に、鋼板溶接継手２にき裂が生じた場合であっても、き裂の伝播方向をアレスタ材５内部へ効果的に導入することが可能となる。この場合、アレスタ溶接継手６をなす溶接金属の靱性を低くすることで、耐き裂制御部４により、鋼板溶接継手２で発生した脆性き裂の伝播方向を確実にアレスタ材５へ導入する作用が効果的に得られる。
アレスタ溶接継手をなす溶接金属部の靱性と鋼板の母材靱性との関係が上記関係式を満たさない場合、鋼板溶接継手に生じたき裂の状態によっては、このき裂が母材側に逸れ、アレスタ材によるき裂停止効果が得られなくなる可能性があり、鋼板の母材特性によっては、脆性き裂を停止できない可能性がある。
【００４９】
なお、本発明に係る溶接構造体では、アレスタ材５の形状は、図１等に示す例には限定されず、アレスタ材５の頂部５ａから延在する外縁部５１、５２が、鋼板溶接継手２の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲内の角度であれば、所定の効果を発揮することが可能であり、適宜採用することが可能である。
【００５０】
また、本実施形態では、アレスタ材５を１枚のみ用いて鋼板１に溶接した構成を説明しているが、これには限定されず、例えば、２枚以上のアレスタ材を積層して使用することもでき、適宜採用することが可能である。
【００５１】
『脆性き裂の伝播方向の制御』
上記構成とされた本実施形態の溶接構造体Ａにおいて、仮に、鋼板溶接継手２に脆性き裂が発生した場合の、き裂伝播方向の制御作用について、以下に説明する。
【００５２】
従来、鋼板溶接継手において発生した脆性き裂は、主として、鋼板溶接継手の長手方向を伝播する。このため、鋼板溶接継手に生じた脆性き裂が起点となり、溶接構造体全体に大きな破壊が生じる虞があるという問題があった。
本発明者等は、上述のような脆性き裂の伝播方向を効果的に制御し、溶接構造体においてき裂が伝播するのを抑制するためには、アレスタ材の形状並びに鋼材特性を適正化することが重要であることを知見した。そして、まず、鋼板１同士を突合せ溶接することで形成された鋼板溶接継手２の少なくとも一部に、アレスタ材５と、該アレスタ材５が鋼板１に対して突合せ溶接されることで形成されるアレスタ溶接継手６とからなる耐き裂制御部４を設けることで、き裂の伝播を抑制できることを見出した。これに加え、さらに、アレスタ材５を、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌ上から延在する外縁部５１、５２が、鋼板溶接継手２の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲の角度で傾斜又は直交するように構成することで、鋼板溶接継手２を伝播するき裂を確実にアレスタ材に導入させ、き裂の伝播を効果的に停止可能なことを見出した。
【００５３】
図２に示すように、鋼板溶接継手２の長手方向の一方側（図２における縦長方向の上側）で発生した脆性き裂は、鋼板溶接継手２における長手方向の他方側（図２における縦長方向の下側）に向かって伝播を開始する（図２中の二点鎖線矢印を参照）。この際、本実施形態の溶接構造体Ａでは、鋼板溶接継手２を長手方向で伝播した脆性き裂が、耐き裂制御部４をなすアレスタ溶接継手６に突入し、さらに、アレスタ材５に突入する。ここで、アレスタ材５は、脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａが６０００Ｎ／ｍｍ１．５以上とされているので、突入したき裂を効果的に停止させることが可能となる。
【００５４】
上記作用により、本実施形態の溶接構造体Ａは、例え、鋼板溶接継手２において脆性き裂が発生した場合であっても、脆性き裂が溶接継手や母材を広範囲で伝播するのを抑制できるので、大規模な破壊が発生するのを未然防止することが可能となる。このような本実施形態の溶接構造体Ａを、例えば、大型船舶や建築構造物、土木鋼構造物等の各種溶接構造物に適用することで、溶接構造物の大型化、破壊に対する高い安全性、建造における溶接の高能率化、鋼材の経済性等々を同時に満たすことが可能となる。
【００５５】
『製造方法』
以下に、上述したような本実施形態の耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体Ａを製造する方法の一例について説明する。
本実施形態の溶接構造体Ａを製造する方法としては、鋼板１同士を突合せ溶接することで鋼板溶接継手２を形成するにあたり、鋼板溶接継手２の少なくとも一部に、鋼板１を貫通するように、脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａが６０００Ｎ／ｍｍ１．５以上の鋼材からなるアレスタ材５を設け、次いで、アレスタ材５を鋼板１に対して突合せ溶接してアレスタ溶接継手６を形成することにより、アレスタ材５とアレスタ溶接継手６とからなる耐き裂制御部４を形成する工程を備え、この耐き裂制御部４を形成する工程を、アレスタ材５を、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌ上から延在する外縁部５１、５２が鋼板溶接継手２の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲の角度で傾斜又は直交するように形成して鋼板１に貫通するように設ける方法とすることができる。
【００５６】
本実施形態の溶接構造体Ａの製造方法では、まず、鋼材からなる鋳塊を製造した後、この鋳塊に各種圧延や熱処理等を施すことにより、所定の厚さ、例えば、２５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下の範囲の鋼板１を製造する。
【００５７】
次に、図１及び図２の模式図に示すように、上述した耐き裂制御部を形成する工程において、鋼板１同士を溶接し、鋼板溶接継手２を形成して鋼板１同士を接合する。
具体的には、鋼板１の溶接端１１、１２に開口するように、貫通孔３（３ａ、３ｂ）を形成する。次いで、貫通孔３ａ、３ｂの各々が、溶接線Ｌを中心として鋼板１の各々において対称の貫通孔３を形成するように、各々の鋼板１の溶接端１１、１２を突合せ溶接することにより、この位置に鋼板溶接継手２を形成する。これにより、鋼板１同士が、鋼板溶接継手２によって接合された状態となる。
【００５８】
次いで、アレスタ材５を、鋼板１を貫通するように、貫通孔３の内部に挿入する。次いで、アレスタ材５の外縁部５１、５２、横縁部５３、５４、並びに下縁部５５を、鋼板１において貫通孔３によって露出した溶接端に対して着き合わせ溶接することでアレスタ溶接継手６を形成することにより、アレスタ材５と鋼板１とを接合する。このような手順により、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌを中心として鋼板１の各々において対称となるように、アレスタ材５とアレスタ溶接継手６とからなる耐き裂制御部４を形成する。
【００５９】
本実施形態では、耐き裂制御部を形成する工程において、アレスタ材５を、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌ上から延在する外縁部５１、５２が鋼板溶接継手２の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲の角度で傾斜又は直交するように形成して鋼板１に貫通するように設ける。本実施形態で説明する例では、図１等に示すように、アレスタ材５を平面視略四角形の長方形とし、上縁部５１、５２が鋼板溶接継手２の溶接線Ｌに対して概ね９０°の角度で直交するように形成する。
【００６０】
本実施形態の製造方法においては、上述のように、鋼板１同士、並びに、鋼板１とアレスタ材５とを突合せ溶接する際の溶接方法及び溶接材料については、特に限定されない。
また、脆性き裂伝播を可能な限り抑制し、さらに、鋼板溶接継手２及びアレスタ溶接継手６において新たな疲労き裂や脆性き裂の起点が生じるのを防止するため、各溶接継手を、溶接欠陥の無いように、溶接金属で完全に充填することが好ましい。
【００６１】
上記手順により、図１に示すような、本実施形態の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体Ａを製造することができる。
【００６２】
『溶接構造体を適用した船舶構造体の一例』
上述した本実施形態の溶接構造体Ａを適用した船舶構造体の一例を図３の概略図に示す。
図３に示すように、船舶構造体７０は、骨材（補強材）７１、デッキプレート（水平部材）７２、船殻内板（垂直部材）７３、船殻外板７４を備えて概略構成される。また、図示例の船舶構造体７０は、船殻内板７３をなす複数の鋼板１同士を突合せ溶接することで形成される鋼板溶接継手（図３中では図示略）の長手方向の一部に耐き裂制御部４が設けられることで、本実施形態の溶接構造体Ａを具備する構造とされている。
上記構成の船舶構造体７０によれば、本実施形態の溶接構造体Ａの構成を適用することにより、例え、鋼板溶接継手を伝播する脆性き裂が発生した場合であっても、耐き裂制御部４により、き裂の伝播方向を効果的に制御できる。これにより、鋼板溶接継手に生じた脆性き裂を安定的に停止させることができ、船殻内板７３、ひいては船舶構造体７０に大規模な破壊が生じるのを防止することが可能となる。
【００６３】
以上説明したように、本実施形態の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体Ａによれば、鋼板１同士を突合せ溶接することで鋼板溶接継手２が形成され、該鋼板溶接継手２上に、鋼板１を貫通するように設けられ、脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａが６０００Ｎ／ｍｍ１．５以上の鋼材からなるアレスタ材５と、該アレスタ材５が鋼板１に対して突合せ溶接されることで形成されるアレスタ溶接継手６とからなる耐き裂制御部４が備えられており、アレスタ材５は、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌ上から延在する外縁部５０（５１、５２）が、鋼板溶接継手２の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲の角度で傾斜又は直交するように形成されてなる構成なので、例え、溶接継手に脆性き裂が発生した場合であっても、脆性き裂が溶接継手や母材を伝播するのが抑制できる。従って、大規模な破壊が発生するのを未然防止することが可能な溶接構造体を、高い生産効率及び低コストで得ることができる。このような本発明に係る溶接構造体が、大型船舶をはじめ、建築構造物や土木鋼構造物等の各種溶接構造物に使用されることで、溶接構造物の大型化、破壊に対する高い安全性、建造における溶接の高能率化、鋼材の経済性等々が同時に満たされことから、その産業上の効果は計り知れない。
【００６４】
［第２の実施形態］
以下、本発明の第２の実施形態である溶接構造体Ｂについて、主に図４を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、上述の第１の実施形態の溶接構造体Ａと共通する構成については、同じ符号を付与するとともに、その詳細な説明を省略する。
【００６５】
本実施形態の溶接構造体Ｂは、図４に示すように、鋼板１０が、鋼板溶接継手２０の長手方向で配列される少なくとも２以上の小鋼板（図４中の符号２１〜２４を参照）からなるとともに、この小鋼板同士を突合せ溶接することで小鋼板溶接継手２５、２６が形成されており、この小鋼板溶接継手２５、２６が、鋼板溶接継手２０の長手方向で、アレスタ材５の溶接線Ｌ上における上縁部５１、５２の頂部５ａと反対側の下縁部５５側に形成されるアレスタ溶接継手６に接して設けられる点で、上述の第１の実施形態の溶接構造体Ａとは異なる。また、図４に示す例においては、図示の都合上、小鋼板として４枚の小鋼板２１〜２４を示し、小鋼板２１と小鋼板２２とが小鋼板溶接継手２５で接合され、小鋼板２３と小鋼板２４とが小鋼板溶接継手２６で接合されている。
【００６６】
溶接構造体Ｂによれば、上述の溶接構造体Ａと同様、鋼板溶接継手２０に脆性き裂が発生した場合でも、この脆性き裂を、アレスタ溶接継手６を介してアレスタ材５に確実に突入させることができる（図４中の二点鎖線矢印を参照）。そして、アレスタ材５に突入した脆性き裂は、アレスタ材５内で確実に停止するので、鋼板溶接継手２０が破断せず、また、溶接構造体Ｂに大規模な破壊が生じるのを防止することが可能となる。
【００６７】
［第３の実施形態］
以下、本発明の第３の実施形態である溶接構造体Ｃについて、主に図５を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、上述の第１及び第２の実施形態の溶接構造体Ａ、Ｂと共通する構成については、同じ符号を付与するとともに、その詳細な説明を省略する。
【００６８】
本実施形態の溶接構造体Ｃは、図５に示すように、鋼板１０Ａが、鋼板溶接継手２０Ａの長手方向で配列される少なくとも２以上の小鋼板（図５中の符号３１〜３４を参照）からなるとともに、この小鋼板同士を突合せ溶接することで小鋼板溶接継手３５、３６が形成されている。また、溶接構造体Ｄは、図示例のように、小鋼板溶接継手３５、３６が、鋼板溶接継手２の長手方向で、アレスタ材５の溶接線Ｌ上における上縁部５１、５２の頂部５ａと反対側の下縁部５５側に形成されるアレスタ溶接継手６を含む構成である。
また、図示例の溶接構造体Ｃは、小鋼板溶接継手３５、３６が連なって直線状に形成されている。
【００６９】
溶接構造体Ｃによれば、上述の溶接構造体Ａ、Ｂと同様、鋼板溶接継手２０Ａに脆性き裂が発生した場合でも、アレスタ材５の上縁部５１、５２に沿って形成されるアレスタ溶接継手６０を介して、脆性き裂を確実にアレスタ材５に突入させることができる（図５中の二点鎖線矢印を参照）。
そして、アレスタ材５に突入した脆性き裂は、脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａの高い鋼材からなるアレスタ材５において直ちに停止するので、溶接構造体Ｃに大規模な破壊が生じるのを防止することが可能となる。
【００７０】
また、溶接構造体Ｃにおいては、小鋼板溶接継手３５、３６をなす溶接金属部の靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ４（℃）と、鋼板１０Ａの母材靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ１（℃）との関係が、次式｛ｖＴｒＳ４（℃）≦ｖＴｒＳ１（℃）＋２０（℃）｝で表される関係を満たす構成とされている。これにより、例えば、図５中における下側の方向から脆性き裂が溶接継手２０Ａを伝播してきた場合でも、この脆性き裂が溶接継手３５又は溶接継手３６を伝播してアレスタ材５に突入し易くなるので、このアレスタ材５によって脆性き裂を停止させることが可能となる。
【実施例】
【００７１】
以下、本発明に係る耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体の実施例を挙げ、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、もとより下記実施例に限定されるものではなく、前、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００７２】
［溶接構造体の製造］
まず、製鋼工程において溶鋼の脱酸・脱硫と化学成分を制御し、連続鋳造によって下記表１に示す化学成分の鋳塊を作製した。そして、日本海事協会（ＮＫ）規格船体用圧延鋼材ＫＡ３２、ＫＡ３６、ＫＡ４０の規格に準じた製造条件で、前記鋳塊を再加熱して厚板圧延することで鋼板を製造した。さらに、この鋼板に対して各種熱処理を施すとともに、この際の条件を制御することにより、母材の脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａ（Ｎ／ｍｍ１．５）を、下記表１に示す形態で適宜調整した。なお、製造した鋼板から、試験片のサイズが５００ｍｍ×５００ｍｍ×板厚のＥＳＳＯ試験（脆性き裂伝播停止試験）片を適宜採取し、−１０℃におけるＫｃａ特性を評価・確認した。
【００７３】
次に、図７（ａ）に示すように、鋼板１の溶接端１１、１２に開口するように、貫通孔３ａ、３ｂを形成した。そして、貫通孔３ａ、３ｂの各々が溶接線Ｌを中心として対称の貫通孔３を形成するように、各々の鋼板１の溶接端１１、１２を突合せ溶接し、鋼板溶接継手２を形成することにより、鋼板１同士を接合した。
【００７４】
次に、下記表２に示す鋼特性及び形状とされた鋼板からなるアレスタ材５を、鋼板１を貫通するように貫通孔３の内部に挿入した。そして、アレスタ材５の外縁部５１、５２、横縁部５３、５４並びに下縁部５５を、鋼板１において貫通孔３によって露出した溶接端に対して着き合わせ溶接してアレスタ材溶接継手６を形成することで、アレスタ材５と鋼板１とを接合した。以上の手順により、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌを中心として鋼板１の各々において対称となるように、アレスタ材５とアレスタ材溶接継手６とからなる耐き裂制御部４を形成した。
【００７５】
また、図８（ｂ）、（ｃ）に示すように、下縁部の位置が、鋼板１の下端から中心位置で１５００ｍｍとなる場所にアレスタ材５を配した。また、図７（ｂ）に示すように、アレスタ材５の上縁部５１、５２、横縁部５３、５４及び下縁部５５、並びに、鋼板１の貫通孔３内に露出する溶接端には、板厚方向中心を頂点として１３０°（水平ラインに対して２５°）となるように面取り処理を施した。また、アレスタ材５の各縁部と、鋼板１の貫通孔３内に露出する溶接端との間は、前記頂点において約３ｍｍのクリアランスを持たせた状態として溶接処理を行なった。
【００７６】
なお、上記手順における鋼板１同士の突合せ溶接、及び、鋼板１とアレスタ材５との突合せ溶接は、炭酸ガスアーク溶接（ＣＯ２溶接）によって行なうとともに、この際の溶接材料として、高Ｎｉ成分とされた溶接ワイヤを用いた。また、各溶接継手の形成箇所においては、新たなき裂の起点が生じるのを防止するため、各溶接継手を溶接金属で完全に充填するように溶接処理を行なった。その後、各溶接継手を冷却することにより、図１に示すような溶接構造体（本発明例、実験例）を製造した。
また、上記同様、各鋼板及びアレスタ材を接合することにより、図４〜図６に示すような溶接構造体（本発明例、実験例）を製造した。
【００７７】
［評価試験］
上記手順によって製造した溶接構造体について、以下のような評価試験を行った。
まず、図８（ａ）に示すような試験装置９０を準備するとともに、上記手順で作製した溶接構造体のサンプルの各々を適宜調整し、試験装置９０に取り付けた。ここで、図８（ｂ）、（ｃ）中に示す鋼板溶接継手２に設けたき裂発生部である窓枠８１は、楔をあてがって所定の応力を印加することで強制的に脆性き裂を発生させるためのものであり、切欠き状の先端部は０．２ｍｍ幅のスリット加工を施したものである。
次いで、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌと垂直方向に２６２Ｎ／ｍｍ２の引張応力を付与することにより、鋼板溶接継手２に脆性き裂を発生させた。そして、この脆性き裂を、鋼板溶接継手２の溶接線Ｌ上で伝播させることにより、溶接構造体の耐脆性き裂伝播性を評価した。この際の雰囲気温度は−１０℃とした。
そして、鋼板溶接継手２を伝播した脆性き裂が、耐き裂制御部４をなすアレスタ溶接継手６に到達した後、その脆性き裂が伝播する方向及び停止位置を確認し、以下に示す４段階（◎〜×）で評価し、下記表２に示した。
（１）「◎」…脆性き裂がアレスタ溶接継手に到達した後、アレスタ材に突入し、直ちに停止した。
（２）「△」…脆性き裂がアレスタ溶接継手に到達した後、このアレスタ溶接継手に沿って伝播し、次いで再び鋼板溶接継手に戻り、鋼板溶接継手を伝播した。
（３）「×」…脆性き裂がアレスタ溶接継手に到達した後、このアレスタ溶接継手に進入し、さらにアレスタ材を貫通した後、そのまま鋼板溶接継手を伝播した。
【００７８】
本実施例で用いた鋼板の化学成分組成、鋼板製造条件及び母材の脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａ（Ｎ／ｍｍ１．５）の一覧を表１に示すとともに、アレスタ材５の鋼板特性及び形状、アレスタ溶接継手６を形成する際の溶接条件、鋼板１を突合せ溶接して鋼板溶接継手２を形成する際の溶接条件、及び、脆性き裂の伝播の評価結果の一覧を表２に示す。
【００７９】
【表１】
【００８０】
【表２】
【００８１】
［評価結果］
表２に示す本発明例１〜８は上述した本発明の第１の実施形態の溶接構造体Ａに関する例であり、本発明例９〜１１は本発明の第２の実施形態の溶接構造体Ｂ、本発明例１２、１３は第３の実施形態の溶接構造体Ｃに関する例である。また、表２に示す実験例１〜４は、図２に示す溶接構造体Ａと同様の構造を有する例であり、実験例５〜７は、図４に示す溶接構造体Ｂと同様の構造を有する例である。
【００８２】
なお、上記各例において、本発明例１、２、４、６、８、１１〜１３、並びに実験例１〜５は、何れも、図２に示すように、平面視略四角形のアレスタ材を、外縁部の鋼板溶接継手の長手方向に対する角度が９０°となるように溶接構造体を製造した例である。また、本発明例６並びに実験例７は、何れも、平面視略四角形のアレスタ材を、外縁部の鋼板溶接継手の長手方向に対する角度が表２に示す角度となるように、鋼板上における形成位置及び角度を適宜調整した例である。また、本発明例３、７、１０、並びに実験例６は、何れも、平面視略四角形のアレスタ材を、外縁部の鋼板溶接継手の長手方向に対する角度が表２に示す所定の角度となるように、直線状とされた上縁部が横縁部に対して傾斜するように形成したものである。
【００８３】
表１及び表２に示すように、本発明に係る溶接構造体（本発明例１〜１３）は、脆性き裂の伝播の評価結果が、全て「◎」の評価となった。これにより、本発明の溶接構造体が、溶接継手に脆性き裂が発生した場合であっても、き裂が溶接継手や母材を伝播するのを抑制でき、溶接構造体の破断を防止することが可能であり、耐脆性き裂伝播性に優れていることが確認できた。
【００８４】
ここで、本発明例４、８は、何れも、アレスタ材の板厚が鋼板の母材及び溶接継手の厚さよりも大きな例であるが、鋼板溶接継手に生じた脆性き裂が、アレスタ材溶接継手に到達した後にアレスタ材に突入し、アレスタ材で直ちに停止し、所定の耐脆性き裂伝播性を発揮することができた。
また、本発明例５、７は、何れも、アレスタ材の板厚が鋼板の母材及び溶接継手の厚さよりも小さな例であるが、上記同様、鋼板溶接継手に生じた脆性き裂が、アレスタ材で直ちに停止し、所定の耐脆性き裂伝播性を発揮することができた。
【００８５】
これに対し、実験例１〜７の溶接構造体は、アレスタ材の鋼板特性又は形状の何れかが本発明の規定を満たしていないため、耐脆性き裂伝播性の評価が何れも「×」となった例である。
【００８６】
実験例１の溶接構造体は、アレスタ材の高さＨが不充分であるため、脆性き裂がアレスタ溶接継手及びアレスタ材に突入した後、脆性き裂を停止できず、再び脆性き裂が鋼板溶接継手を伝播した例であり、耐脆性き裂伝播性の評価が「×」となった。
また、実験例２は、アレスタ材の板厚ｔが不充分であるため、上記同様、脆性き裂を停止できず、再び脆性き裂が鋼板溶接継手を伝播した例であり、耐脆性き裂伝播性の評価が「×」となった。
【００８７】
また、実験例３は、アレスタ材の板厚Ｔと高さＨが不充分であるとともに、アレスタ材のＫｃａ特性が不充分であり、上記同様、アレスタ材で脆性き裂を停止することができなかった例であり、耐脆性き裂伝播性の評価が「×」となった。
また、実験例４は、アレスタ材のＫｃａ特性が不充分であったため、上記同様、アレスタ材で脆性き裂を停止することができなかった例であり、耐脆性き裂伝播性の評価が「×」となった。
【００８８】
また、実験例５は、アレスタ材の横幅Ｗが不適であるため、アレスタ溶接継手に沿って脆性き裂が迂回し、そのまま鋼板溶接継手を伝播し、耐脆性き裂伝播性の評価が「×」となった。
また、実験例６、７は、何れも、アレスタ材の外縁部の鋼板溶接継手の長手方向に対する角度が本発明の規定範囲外であり、アレスタ材に脆性き裂を導入することができず、アレスタ溶接継手を迂回した後、そのまま鋼板溶接継手を伝播した例であり、耐脆性き裂伝播性の評価が「×」となった。
【００８９】
以上の結果により、本発明の溶接構造体が、溶接継手に脆性き裂が発生した場合であっても、き裂が溶接継手や母材を伝播するのを抑制でき、溶接構造体の破断を防止することが可能であり、耐脆性き裂伝播性に優れていることが明らかである。
【符号の説明】
【００９０】
Ａ、Ｂ、Ｃ…溶接構造体、１、１０、１０Ａ…鋼板、２、２０、２０Ａ…鋼板溶接継手、３、３ａ、３ｂ…貫通孔、４…耐き裂制御部、５…アレスタ材、５１、５２…上縁部、５５…下縁部、６、６０…アレスタ溶接継手、２５、２６、３５、３６…小鋼板溶接継手、２１、２２、２３、２４、３１、３２、３３、３４…小鋼板、７０…船舶構造体、Ｌ…溶接線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板同士を突合せ溶接することで鋼板溶接継手が形成されてなる耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体であって、
該鋼板溶接継手の少なくとも一部に、前記鋼板を貫通するように設けられ、脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａが６０００Ｎ／ｍｍ１．５以上の鋼材からなるアレスタ材と、該アレスタ材が前記鋼板に対して突合せ溶接されることで形成されるアレスタ溶接継手とからなる耐き裂制御部が備えられており、
前記アレスタ材は、前記鋼板溶接継手の溶接線上から延在する外縁部が、前記鋼板溶接継手の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲の角度で傾斜又は直交するように形成されていること、を特徴とする耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
【請求項２】
前記アレスタ材は、前記鋼板溶接継手の長手方向に沿った高さＨ、前記鋼板溶接継手の長手方向と交差する方向における横幅Ｗ、及び板厚ｔの各々の寸法が、下記（１）〜（３）式で表される関係を満足すること、を特徴とする請求項１に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
２Ｔ ≦ Ｈ ・・・・・ （１）
３．２ｄ＋５０ ≦ Ｗ ・・・・・ （２）
０．９０Ｔ ≦ ｔ ・・・・・ （３）
｛但し、上記（１）〜（３）式中において、Ｔは前記鋼板の板厚を表し、ｄは前記鋼板溶接継手における溶接金属部の幅を表す｝
【請求項３】
前記アレスタ溶接継手をなす溶接金属部の靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ３（℃）と、前記鋼板の母材靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ１（℃）との関係が、次式｛ｖＴｒＳ３（℃）≦ｖＴｒＳ１（℃）＋２０（℃）｝で表される関係を満たすこと、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
【請求項４】
前記鋼板の板厚が２５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下であること、を特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
【請求項５】
前記鋼板は、前記鋼板溶接継手の長手方向で配列される少なくとも２以上の小鋼板からなるとともに、前記小鋼板同士を突合せ溶接することで小鋼板溶接継手が形成されており、
前記小鋼板溶接継手は、前記鋼板溶接継手の長手方向で、前記アレスタ材の前記溶接線上における前記上縁部の頂部と反対側の下縁部側に形成される前記アレスタ溶接継手に接して設けられること、を特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
【請求項６】
前記鋼板は、前記鋼板溶接継手の長手方向で配列される少なくとも２以上の小鋼板からなるとともに、前記小鋼板同士を突合せ溶接することで小鋼板溶接継手が形成されており、
前記小鋼板溶接継手は、前記鋼板溶接継手の長手方向で、前記アレスタ材の前記溶接線上における前記上縁部の頂部と反対側の下縁部側に形成される前記アレスタ溶接継手を含むとともに、前記小鋼板溶接継手をなす溶接金属部の靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ４（℃）と、前記鋼板の母材靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ１（℃）との関係が、次式｛ｖＴｒＳ４（℃）≦ｖＴｒＳ１（℃）＋２０（℃）｝で表される関係を満たすこと、を特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
【請求項１】
鋼板同士を突合せ溶接することで鋼板溶接継手が形成されてなる耐脆性き裂伝播性に優れた溶接構造体であって、
該鋼板溶接継手の少なくとも一部に、前記鋼板を貫通するように設けられ、脆性き裂伝播停止特性Ｋｃａが６０００Ｎ／ｍｍ１．５以上の鋼材からなるアレスタ材と、該アレスタ材が前記鋼板に対して突合せ溶接されることで形成されるアレスタ溶接継手とからなる耐き裂制御部が備えられており、
前記アレスタ材は、前記鋼板溶接継手の溶接線上から延在する外縁部が、前記鋼板溶接継手の長手方向に対して６０°以上１２０°以下の範囲の角度で傾斜又は直交するように形成されていること、を特徴とする耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
【請求項２】
前記アレスタ材は、前記鋼板溶接継手の長手方向に沿った高さＨ、前記鋼板溶接継手の長手方向と交差する方向における横幅Ｗ、及び板厚ｔの各々の寸法が、下記（１）〜（３）式で表される関係を満足すること、を特徴とする請求項１に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
２Ｔ ≦ Ｈ ・・・・・ （１）
３．２ｄ＋５０ ≦ Ｗ ・・・・・ （２）
０．９０Ｔ ≦ ｔ ・・・・・ （３）
｛但し、上記（１）〜（３）式中において、Ｔは前記鋼板の板厚を表し、ｄは前記鋼板溶接継手における溶接金属部の幅を表す｝
【請求項３】
前記アレスタ溶接継手をなす溶接金属部の靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ３（℃）と、前記鋼板の母材靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ１（℃）との関係が、次式｛ｖＴｒＳ３（℃）≦ｖＴｒＳ１（℃）＋２０（℃）｝で表される関係を満たすこと、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
【請求項４】
前記鋼板の板厚が２５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下であること、を特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
【請求項５】
前記鋼板は、前記鋼板溶接継手の長手方向で配列される少なくとも２以上の小鋼板からなるとともに、前記小鋼板同士を突合せ溶接することで小鋼板溶接継手が形成されており、
前記小鋼板溶接継手は、前記鋼板溶接継手の長手方向で、前記アレスタ材の前記溶接線上における前記上縁部の頂部と反対側の下縁部側に形成される前記アレスタ溶接継手に接して設けられること、を特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
【請求項６】
前記鋼板は、前記鋼板溶接継手の長手方向で配列される少なくとも２以上の小鋼板からなるとともに、前記小鋼板同士を突合せ溶接することで小鋼板溶接継手が形成されており、
前記小鋼板溶接継手は、前記鋼板溶接継手の長手方向で、前記アレスタ材の前記溶接線上における前記上縁部の頂部と反対側の下縁部側に形成される前記アレスタ溶接継手を含むとともに、前記小鋼板溶接継手をなす溶接金属部の靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ４（℃）と、前記鋼板の母材靱性を表す脆性−延性破面遷移温度ｖＴｒＳ１（℃）との関係が、次式｛ｖＴｒＳ４（℃）≦ｖＴｒＳ１（℃）＋２０（℃）｝で表される関係を満たすこと、を特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の耐脆性き裂伝播性を有する溶接構造体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１６２５７０（Ｐ２０１０−１６２５７０Ａ）
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６０３８（Ｐ２００９−６０３８）
【出願日】平成２１年１月１４日（２００９．１．１４）
【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２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月１４日（２００９．１．１４）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]