CN116802114A - 焊接接头、焊接接头的设计方法、焊接接头的制造方法以及船体结构 - Google Patents

焊接接头、焊接接头的设计方法、焊接接头的制造方法以及船体结构 Download PDF

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CN116802114A CN202280011770.9A CN202280011770A CN116802114A CN 116802114 A CN116802114 A CN 116802114A CN 202280011770 A CN202280011770 A CN 202280011770A CN 116802114 A CN116802114 A CN 116802114A
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Abstract

抑制钢板间的焊接接头由于焊接热影响区的应变集中而导致的断裂。一种使用钢板形成的对接焊接接头，其中，前述钢板满足遵循国际船级社协会(IACS)的统一标准(Unified Requirement W11Rev.9 2017)的标准，且具有前述统一标准所规定的总伸长率的值的1.40倍以上的总伸长率，将前述对接焊接接头的板厚设为t(mm)、将焊接热影响区的宽度设为Lh(mm)、将前述焊接热影响区的硬度设为Hh、将母材部的硬度设为Hb、并且将焊接金属部的硬度设为Hw时，在Hh/Hb小于0.97的情况下满足下述式(1)～(4)，在Hh/Hb为0.97以上的情况下满足下述式(3)～(4)。Lh≤(0.034t+0.510)/(1‑Hh/Hb)0.9···(1)Hh/Hb≥0.70···(2)Hw/Hb≥1.0···(3)6≤t≤40···(4)。

Description

焊接接头、焊接接头的设计方法、焊接接头的制造方法以及船 体结构
技术领域
本发明涉及焊接接头、焊接接头的设计方法和焊接接头的制造方法、以及具备该焊接接头的船体结构。
背景技术
近年来，由船舶的碰撞、搁浅等海难事故引起的海洋污染成为了社会问题。例如，即使是如矿石运输船、煤炭运输船等散货船那样载货不会过度污染海洋的船舶，有时也会因燃料油流出而污染海洋。另外，若作为载货的油从液货船等船舶流出，海洋污染变得更加显著。因此，需要抑制因碰撞、搁浅等导致的船壳的破口。
因此，专利文献1提出了一种耐碰撞性优异的船体结构。这里所说的耐碰撞性是指，例如即使以规定的速度受到其他船的碰撞也能够抑制船壳破口的性质。该船体结构具有如下的船壳结构，该船壳结构在船侧部的外板或内板的部分部位或者外板或内板的所有部位使用了强度分类为32、36或40的高延性钢板，该高延性钢板满足遵循国际船级社协会(IACS)的统一标准(Unified Requirement W11 Rev.8 2014)的标准，要求规格为IACS的统一标准所规定的总伸长率的值的1.4倍以上的总伸长率，且确认到满足上述规格。在该情况下，通过在船体结构中使用上述高延性钢板，从而能够抑制外板、内板等船壳产生破口。
另外，专利文献2提出了一种抑制焊接金属部处的断裂的焊接接头。专利文献2示出了在具有V形等形状的坡口的全熔透焊接中以坡口角度、焊接金属的拉伸强度、母材的拉伸强度等为参数的关系式，其提出的焊接接头满足该关系式。在该情况下，即使在焊接金属材料的强度低于母材的强度的情况下，也能够通过避免变形集中于韧性低于母材的焊接金属部来实现强韧的焊接接头。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第5893231号公报
专利文献2：日本特许第6319027号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，在焊接接头中的焊接金属材料的强度低于母材的强度即所谓不匹配的情况、焊接热影响区(HAZ：Heat Affected Zone)软化的情况下，如果拉伸应力作用于焊接接头，则塑性应变集中于软质部。因此，设想在焊接接头的构件的伸长率小时，该焊接接头断裂。
特别是在利用热机械控制工艺(TMCP：Thermo Mechanical Control Process)控制钢板的组织来提高该钢板的强度、伸长特性的情况下，HAZ因焊接热而达到比奥氏体化温度更高的温度。由此，母材的组织不会残留于HAZ，与母材相比，强度有时会降低。这样一来，HAZ容易软化，对于焊接接头而言，钢板的强度、伸长特性有可能无法得到充分发挥。
本发明人等进行了深入研究，结果发现：如后所述，作为使焊接接头中HAZ不断裂的条件，HAZ的软化率和HAZ的宽度会有影响。
因此，本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，抑制钢板间的焊接接头由于焊接热影响区处的应变集中而导致的断裂。
用于解决问题的方案
为了解决上述课题，根据本发明的某一观点，提供了一种焊接接头，其为使用钢板形成的对接焊接接头，其中，前述钢板满足遵循国际船级社协会(IACS)的统一标准(Unified Requirement W11 Rev.9 2017)的标准，且具有前述统一标准所规定的总伸长率的值的1.40倍以上的总伸长率，将前述对接焊接接头的板厚设为t(mm)、将焊接热影响区的宽度设为Lh(mm)、将前述焊接热影响区的硬度设为Hh、将母材部的硬度设为Hb、并且将焊接金属部的硬度设为Hw时，在Hh/Hb小于0.97的情况下满足下述式(1)～(4)，在Hh/Hb为0.97以上的情况下满足下述式(3)～(4)。
在前述焊接接头中，前述钢板通过前述统一标准所规定的强度分类可以为32、36或40。
在使用标点间距离为200mm、宽度为40mm的扁平形接头试验片的拉伸试验中的总伸长率的值可以为前述统一标准所规定的母材部的总伸长率的值的1.4倍以上。
另外，为了解决上述课题，根据本发明的另一观点，提供了一种焊接接头的设计方法，其为使用钢板形成的对接焊接接头的设计方法，该设计方法具有：钢板选定步骤，选定如下钢板作为前述钢板，该钢板满足遵循国际船级社协会(IACS)的统一标准(UnifiedRequirement W11 Rev.9 2017)的标准，且具有前述统一标准所规定的总伸长率的值的1.40倍以上的总伸长率；以及焊接条件设定步骤，以下述方式设定对接焊接的焊接条件，将前述对接焊接接头的板厚设为t(mm)、将焊接热影响区的宽度设为Lh(mm)、将前述焊接热影响区的硬度设为Hh、将母材部的硬度设为Hb、并且将焊接金属部的硬度设为Hw时，在Hh/Hb小于0.97的情况下满足下述式(1)～(4)，在Hh/Hb为0.97以上的情况下满足下述式(3)～(4)。
另外，为了解决上述课题，根据本发明的又一另外的观点，提供了一种焊接接头的制造方法，其为使用钢板形成的对接焊接接头的制造方法，该制造方法具有：钢板选定步骤，选定如下钢板作为前述钢板，该钢板满足遵循国际船级社协会(IACS)的统一标准(Unified Requirement W11 Rev.9 2017)的标准，且具有前述统一标准所规定的总伸长率的值的1.40倍以上的总伸长率；焊接条件设定步骤，以下述方式设定对接焊接的焊接条件，将前述对接焊接接头的板厚设为t(mm)、将焊接热影响区的宽度设为Lh(mm)、将前述焊接热影响区的硬度设为Hh、将母材部的硬度设为Hb、并且将焊接金属部的硬度设为Hw时，在Hh/Hb小于0.97的情况下满足下述式(1)～(4)，在Hh/Hb为0.97以上的情况下满足下述式(3)～(4)；以及焊接步骤，在前述焊接条件设定步骤中设定的前述焊接条件下，对前述钢板选定步骤中选定的前述钢板进行焊接。
另外，为了解决上述课题，根据本发明的又一另外的观点，提供了一种船体结构，其中，船侧部或船底部的外板的对接焊接接头的部分部位或者该对接焊接接头的所有部位、或者船侧部或船底部的内板的对接焊接接头的部分部位或者该对接焊接接头的所有部位为前述焊接接头。
另外，为了解决上述课题，根据本发明的又一另外的观点，提供了一种船体结构，其中，在船侧部或船底部的外板或内板的对接焊接接头中需要抑制破口的部位为前述焊接接头。
Lh≤(0.034t+0.510)/(1-Hh/Hb)0.9···(1)
Hh/Hb≥0.70···(2)
Hw/Hb≥1.0···(3)
6≤t≤40···(4)
发明的效果
如以上说明的那样，根据本发明，能够提供一种延性优异的焊接接头，其能够抑制钢板间的焊接接头由于焊接热影响区处的应变集中而导致的断裂。另外，通过在船侧部或船底部的外板的对接焊接接头的部分部位或者该对接焊接接头的所有部位使用该焊接接头，从而抑制例如船舶的碰撞、搁浅导致的焊接接头的断裂。其结果，产业上的贡献变得极其显著。
附图说明
图1是用于说明船体结构的构件的图。
图2是将图1中的船体结构的船侧部及船底部放大后的图。
图3是示出FEM分析中使用的接头拉伸试验片的图。
图4是示出FEM分析中使用的模型的例子的图。
图5是对通过估计式导出的极限HAZ宽度与通过FEM分析求出的极限HAZ宽度进行比较的图表。
图6是示出接头拉伸试验后的接头拉伸试验片的状态的图。
图7是示出高延性钢板的EGW接头的截面硬度分布的图。
图8是示出现有钢的EGW接头的截面硬度分布的图。
具体实施方式
下面，参照附图并对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要说明的是，在本说明书和附图中，对于实质上具有相同的功能构成的构成要素，通过标以相同的标号来省略重复说明。
＜船体结构＞
首先，作为船体结构(船壳结构)的一个例子，对油槽的双层船壳结构进行说明。如图1及图2所示，构成双层船壳结构的船侧部10的主要构件是外板11和内板12、外板11和内板12分别所附带的防挠曲件13、14、横梁15以及纵梁16。另外，构成船底部20的主要构件是外板21和内板22、外板21和内板22分别所附带的防挠曲件23、24、横梁25以及纵梁26。双层船壳结构还具有上甲板30及舭31。
＜钢板＞
在本实施方式的船体结构中，上述外板、内板等的主要构件使用高延性钢板，该高延性钢板例如上述专利文献1所公开的，满足遵循国际船级社协会(IACS)的统一标准(Unified Requirement W11 Rev.9 2017)的标准，具有IACS的统一标准所规定的总伸长率的值的1.40倍以上的总伸长率。在这种情况下，能够飞跃性地提高船舶的耐碰撞性，能够抑制外板、内板等船壳产生破口。需要说明的是，总伸长率相对于上述IACS的统一标准所规定的总伸长率的值的倍率越高越好，其上限值没有特别规定，但实质上2.20倍左右为上限。
具体而言，如专利文献1所记载的，在设想作为大型船舶的大型原油液货船(VLCC：Very Large Crude oil Carrier)的碰撞事故的情况下，在船体结构的船侧部的外板、内板等应用具有各种总伸长率的钢板并基于有限元法(Finite Element Method：FEM)进行分析，在使用具有IACS的统一标准所规定的总伸长率的值的1.40倍以上的总伸长率的高延性钢板的情况下，与使用现有钢的情况相比，能够提高能量吸收量，能够抑制外板、内板等船壳产生破口。另外，在船底部的外板、内板等使用上述高延性钢板的情况下，也同样能够提高能量吸收量，能够抑制外板、内板等船壳产生破口。
需要说明的是，统一标准(Unified Requirement W11 Rev.92017)所规定的总伸长率的值如表1所示。表1中根据板厚和等级(Grade)规定了所使用的船体材料应满足的最小伸长率的值。在统一标准中，等级中的字母(A、B、D、E及F)表示夏比冲击试验所要求的试验温度的差异，数字(32、36及40)表示强度的分类。高延性钢板具有超过这些表1所示的总伸长率的标准值的伸长率，满足统一标准。通过使用具有上述那样的强度分类的高延性钢板，使得如下说明的本发明的效果变得特别显著。
[表1]
表1
试样:GL＝200mm,W＝25mm
如上所述，本实施方式的船体结构中使用高延性钢板。在以下的说明中称为“高延性钢板”时，是指像这样满足遵循IACS的统一标准的标准，且具有IACS的统一标准所规定的总伸长率的值的1.40倍以上的总伸长率的钢板。
需要说明的是，高延性钢板只要满足上述条件，钢板的组成及制造条件就没有限定。例如，作为上述高延性钢板，可以使用组成以质量％计含有C：0.02～0.18％、Si：0.01～0.50％、Mn：0.9～1.6％、Al：0.001～0.100％、N：0.02％以下、P：0.02％以下和S：0.01％以下，余量为Fe和杂质的钢板。
另外，根据提高母材部的强度、提高焊接接头的韧性等所要求的特性，高延性钢板也可以使用改变上述组成的钢板。例如，在上述组成中，可以含有Ni：0.8％以下、Cr：0.2％以下、Mo：0.08％以下、Cu：0.35％以下、W：1.0％以下、Co：1.0％以下、V：0.1％以下、Nb：0.05％以下、Ti：0.02％以下、Zr：0.05％以下、Ta：0.05％以下、Hf：0.005％以下、REM(稀土元素)：0.005％以下、Y：0.005％以下、Ca：0.01％以下、Mg：0.01％以下、Te：0.01％以下、Se：0.005％以下、B：0.005％以下及Sn：0.3％以下之中的1种或2种以上来替代一部分Fe。
另外，除了上述那样的强度分类的高延性钢板以外，例如也可以使用满足遵循国际船级社协会(IACS)的统一标准(Unified Requirement W11 Rev.92017)的标准且具有IACS的统一标准所规定的总伸长率的值的1.40倍以上的总伸长率的软钢。
＜焊接接头＞
接下来，对本实施方式的船体结构中使用高延性钢板形成的对接焊接接头(以下简称为“焊接接头”)进行说明。作为焊接接头的焊接方法，例如可以使用手工电弧焊(SMAW)、二氧化碳气体(CO2)电弧焊、电气弧焊(EGW)、埋弧焊(SAW)等焊接方法。
如上所述，在本实施方式中，通过在船体结构中使用高延性钢板，从而能够抑制外板、内板等船壳产生破口。另一方面，现有技术中尚不清楚是否能得到在焊接接头处抑制断裂的效果。例如在发生船舶碰撞、搁浅等时，存在沿着焊接接头的焊缝发生断裂的担忧。
本发明人等为了消除上述担忧而进行了深入研究，结果想到，在焊接接头中，由于HAZ的硬度与母材部的硬度的差异，产生断裂的部位会发生变化这一可能性。
因此，本发明人等为了对由上述研究中想到的见解进行进一步验证，利用有限元法(FEM)实施了接头拉伸试验的模拟。其结果，如下所述，发现了不使HAZ断裂的焊接接头的条件(具体为HAZ的软化率(以下称为“HAZ软化率”)和HAZ的宽度(以下称为“HAZ宽度”)的条件)。
图3是示出FEM分析中使用的接头拉伸试验片(扁平形接头试验片)的图。图3的(a)表示侧视图，图3的(b)表示俯视图。接头拉伸试验片的外形依据的是JIS1A号拉伸试验片。对接头拉伸试验片进行建模，使焊接金属部WM和焊接热影响区HAZ位于接头拉伸试验片的长度方向中心部。即，在建模的接头拉伸试验片中，焊接金属部WM位于中心，焊接热影响区HAZ位于焊接金属部WM的外侧，母材部BM位于焊接热影响区HAZ的更外侧。
在这样的模型中，接头拉伸试验片的长度为580mm，平行部的长度为220mm，标点间距离GL为200mm。接头拉伸试验片的夹持部的宽度为60mm，平行部的宽度为40mm。在母材部BM中，宽度在60mm和40mm间变化的位置的曲率半径R为25mm。需要说明的是，平行部的宽度不限定于40mm，例如可以设为25mm。
另外，接头拉伸试验片的板厚t设为6mm、12mm、24mm、36mm这4种情况。焊接金属部WM的宽度固定为20mm，在1～15mm的范围内以1mm间距改变焊接热影响区HAZ的宽度Lh。该HAZ宽度Lh的范围1～15mm是基于通常的焊接条件下的焊接热影响区HAZ所设想的范围。焊接热影响区HAZ相对于母材部BM的软化率设为5％、10％、20％、30％这4种情况。
FEM分析中使用的模型(接头拉伸试验片的右半部分)的例子示于图4。图4中示出了接头拉伸试验片的板厚t为12mm、焊接热影响区HAZ的宽度Lh为5mm时的模型的例子。
在FEM分析中，根据下述式(6)的Swift规则对材料的真实应力-真实应变关系进行了近似。其中，在以下的式(6)中，σt为真实应力，εt为真实应变，σy、α、n为材料特性。另外，FEM分析中使用的Swift规则的参数是基于本发明人等在以往实施的各种实验中取得的数据并如表2那样进行设定的。
σt＝σy(1+εt/α)n···(6)
[表2]
表2
部位 σy α n
BM 401 0.0159 0.178
WM 551 0.0005 0.071
HAZ(软化率5％) 381 0.0159 0.178
HAZ(软化率10％) 361 0.0159 0.178
HAZ(软化率20％) 321 0.0159 0.178
HAZ(软化率30％) 281 0.0159 0.178
在以上的接头拉伸试验片的板厚t(4种情况)和焊接热影响区HAZ的软化率(4种情况)的条件下，在1～15mm的范围内以1mm间距改变焊接热影响区HAZ的宽度Lh来进行FEM分析，求出焊接热影响区HAZ处不断裂的极限的HAZ的宽度(以下称为“极限HAZ宽度”)。其结果示于表3。
[表3]
表3
如表3所示，可知在接头拉伸试验片的板厚t小且焊接热影响区HAZ的软化率大的情况下，存在极限HAZ宽度变小的倾向，HAZ宽度Lh小时焊接热影响区HAZ容易断裂。另一方面，可知在接头拉伸试验片的板厚t大且焊接热影响区HAZ的软化率小的情况下，存在极限HAZ宽度变大的倾向，即使HAZ宽度Lh大，焊接热影响区HAZ也不易断裂。
接着，本发明人等基于表3所示的FEM分析结果导出了极限HAZ宽度的估计式。设想当HAZ软化率接近于0％(即，Hh/Hb接近于1)时，极限HAZ宽度将为无限大。基于该设想，定义了下述式(7)所示的极限HAZ宽度LhLIM的估计式。
LhLIM＝a/(1-Hh/Hb)b···(7)
使用表3的FEM分析结果，对接头拉伸试验片的每个板厚t，利用最小二乘法导出系数a、b。其结果可知，可视为a依赖于板厚t而变化，而b不依赖于板厚t，并导出了下述式(8)和(9)。
a＝0.034t+0.510 ··· (8)
b＝0.9 ··· (9)
根据以上，基于上述式(7)～(9)，导出了下述式(10)所示的极限HAZ宽度的估计式。其中，在以下的式(10)中，LhLIM为极限HAZ宽度(mm)，t为接头拉伸试验片(焊接接头)的板厚(mm)，Hh为HAZ的硬度，Hb为母材部的硬度。
LhLIM＝(0.034t+0.510)/(1-Hh/Hb)0.9···(10)
而且，如下述式(11)所示，若HAZ宽度Lh为极限HAZ宽度LhLIM以下，则HAZ处不断裂。这样一来，根据式(10)及(11)，导出本发明中焊接接头应满足的条件即下述式(12)。另外，如上所述，由于HAZ软化率为超过0％的值，因此如下述式(13)所示，Hh/Hb为不足1.00的值。
Lh≤LhLIM···(11)
Lh≤(0.034t+0.510)/(1-Hh/Hb)0.9···(12)
Hh/Hb＜1.00··· (13)
需要说明的是，设定为焊接接头满足下述式(14)～(16)所示的条件。如上所述，在FEM分析中，将HAZ软化率设为5％、10％、20％、30％这4种情况。另外，根据式(12)，在板厚为6mm的情况下，由于Hh/Hb为0.97以上且极限HAZ软化宽度LhLIM超过15mm，因此导出下述式(14)。另外，由于焊接金属部的硬度为母材部的硬度以上，且为基于通常的焊接接头而设想的所谓匹配过度，因此导出下述式(15)。而且，虽然如上所述，FEM分析中是将接头拉伸试验片的板厚t设为6mm、12mm、24mm、36mm这4种情况，但如后所述，本发明人等确认到，板厚t为40mm也满足上述式(10)。基于该结果导出下述式(16)。
0.97＞Hh/Hb≥0.70···(14)
Hw/Hb≥1.0···(15)
6≤t≤40···(16)
综上所述，本发明中焊接接头应满足的条件可以根据Hh/Hb的值而分成不同情况，当Hh/Hb小于0.97时满足下述式(1)～(4)，当Hh/Hb为0.97以上时满足下述式(3)～(4)。换言之，根据Hh/Hb的值，如果焊接接头满足上述那样的条件，则能够抑制因HAZ(软质部)的应变集中而导致的拉伸断裂，能够提供延性优异的焊接接头。其中，在下述式(1)～(4)中，Hh为HAZ的硬度，Hb为母材部的硬度，t为焊接接头的板厚(mm)，Lh为HAZ宽度(mm)，Hw为焊接金属部的硬度。
Lh≤(0.034t+0.510)/(1-Hh/Hb)0.9···(1)
Hh/Hb≥0.70···(2)
Hw/Hb≥1.0···(3)
6≤t≤40 ··· (4)
需要说明的是，在本实施方式中，按照JIS Z2244：2009，以1mm间距测定母材和焊接接头的截面的板厚1/4位置和板厚3/4位置的维氏硬度分布。此时，分别准备未受热影响的母材部的试验片和焊接接头的试验片。在焊接部的硬度测定中，以焊缝在与焊接接头的焊缝延伸方向垂直的方向上位于中央的方式来采集样品，并作为测定截面。另外，在维氏硬度分布的测定中，载荷设为10kg。将利用通过该测定得到的结果算出的母材部的硬度的平均值作为Hb，将HAZ的硬度的最小值作为Hh，将焊接金属部的硬度的最小值作为Hw。另外，基于如上所述得到的硬度的测定结果，求出板厚1/4位置和板厚3/4位置的HAZ软化部的宽度，并将它们的平均值作为Lh。
需要说明的是，对于母材部的硬度的平均值Hb、HAZ的硬度的最小值Hh、焊接金属部的硬度的最小值Hw以及HAZ宽度Lh，定义和更具体的测定方法如下所述。
即，对于母材部，在板厚1/4位置和板厚3/4位置，以1mm间距分别测定10点，合计测定20点，将所得到的20个测定值的平均值作为母材部的硬度Hb。在焊接接头的测定中，在研磨后对焊接接头的截面进行硝酸酒精腐蚀，从而使焊接金属和HAZ显现出来。然后，在板厚1/4位置和板厚3/4位置，以焊接金属与HAZ的分界线(熔合线)为起点，在母材侧以1mm间距测定硬度分布直至到达母材部为止，将测定结果的最小值作为HAZ的硬度Hh。将硬度测定结果为母材部的硬度Hb的97％以下的区域定义为HAZ软化区，在板厚1/4位置和板厚3/4位置分别求出从熔合线到HAZ软化区的母材侧端部为止的距离，将所得到的距离的最大值作为HAZ宽度Lh。另外，对于焊接金属部，在板厚1/4位置和板厚3/4位置，以1mm间距进行测定，将所得到的测定值的最小值作为焊接金属部的硬度Hw。
另外，焊接接头根据Hh/Hb的值而适当满足上述(1)～(4)的条件，由此，在制作标点间距离为200mm、宽度为40mm的扁平形接头试验片并将该试验片供于拉伸试验的情况下，拉伸试验中的总伸长率的值达到上述统一标准所规定的母材部的总伸长率的值的1.40倍以上。总伸长率相对于上述统一标准所规定的母材部的总伸长率的值的倍率越高越好，其上限值没有特别规定，但实质上2.20倍左右为上限。
＜验证＞
其中，对上述极限HAZ宽度LhLIM的估计式即上述式(10)进行验证。图5是对通过式(10)的估计式导出的极限HAZ宽度(图5的横轴)与FEM分析中求出的极限HAZ宽度(图5的纵轴)进行比较的图表。参照图5可知，在焊接接头的板厚t为6mm、12mm、24mm、36mm这4种情况下，使用式(10)的估计结果与FEM分析结果呈良好地一致。需要说明的是，即使在焊接接头的板厚t为40mm的情况下，对图5的图表进行外插，使用式(10)的估计结果与FEM分析结果也呈良好地一致。因此，可知焊接接头应满足的条件即上述式(1)～(4)是合适的。
＜焊接接头的设计方法＞
接下来，对制造上述那样的焊接接头时的焊接接头的设计方法进行说明。
本实施方式的焊接接头的设计方法是使用钢板形成的对接焊接接头的设计方法。该设计方法具有：钢板选定步骤，选定作为焊接接头的坯料的钢板；以及焊接条件设定步骤，设定对接焊接的焊接条件。
钢板选定步骤是选定如下的钢板作为焊接接头的坯料的钢板的步骤，该钢板满足遵循国际船级社协会(IACS)的统一标准(Unified Requirement W11Rev.9 2017)的标准，且具有该统一标准所规定的总伸长率的值的1.40倍以上的总伸长率。
另外，焊接条件设定步骤是以下述方式设定对接焊接的焊接条件的步骤，其中，将焊接接头的板厚设为t(mm)、将焊接热影响区的宽度设为Lh(mm)、将焊接热影响区的硬度设为Hh、将母材部的硬度设为Hb、并且将焊接金属部的硬度设为Hw时，满足上述式(1)～式(4)。
在该焊接条件设定步骤中，可以实施以FEM为代表的各种模拟方法，并虚拟地求出满足上述式(1)～式(4)的焊接条件。另外，也可以利用上述钢板选定步骤中选定的钢板，一边改变焊接条件一边实际进行对接焊接和焊接后的验证，实验性地求出满足上述式(1)～式(4)的焊接条件。
经过上述那样的焊接条件设定步骤，能够得到包括焊接条件在内的用于制造所要求的焊接接头的具体设计图。
＜焊接接头的制造方法＞
接下来，对上述那样的焊接接头的制造方法进行说明。
在本实施方式的焊接接头的制造方法中，对按照上述那样的焊接接头的设计方法选定的钢板，按照所设定的焊接条件进行对接焊接，从而制造上述那样的焊接接头。即可以说，本实施方式的焊接接头的制造方法具有：上述那样的钢板选定步骤和焊接条件设定步骤、以及按照所设定的焊接条件对所选定的钢板进行焊接的焊接步骤。
其中，作为所使用的焊接方法，例如可以举出：手工电弧焊(SMAW)、二氧化碳气体(CO2)电弧焊、电气弧焊(EGW)、埋弧焊(SAW)等。
另外，在该焊接时，通过采用例如以下这样的条件，能够可靠地制造满足上述式(1)～式(4)的焊接接头，因此特别优选。
即，在焊接线能量较大的情况下，存在HAZ变大的倾向，因此需要注意。例如，在电气弧焊(EGW)、埋弧焊(SAW)中，在焊接线能量超过50kJ/cm的情况下，选择难HAZ软化的钢板变得尤为重要。另一方面，在手工电弧焊(SMAW)、二氧化碳气体(CO2)电弧焊中，若使焊接线能量为20kJ/cm以下则HAZ变小，因此，即使不考虑钢板的HAZ软化特性，也能够制造满足上述式(1)～式(4)的焊接接头。
＜将焊接接头用于船体结构的应用＞
在船体结构中，如以上那样满足上述式(1)～(4)的焊接接头(以下称为“上述焊接接头”)被用于船侧部或船底部的外板的对接焊接接头的部分部位或者该对接焊接接头的所有部位。另外，在船体结构中，上述焊接接头被用于船侧部或船底部的内板的对接焊接接头的部分部位或者该对接焊接接头的所有部位。
特别是，上述焊接接头被用于船侧部或船底部的外板或内板的对接焊接接头中需要抑制破口的部位。其中，需要抑制破口的部位是船侧部或船底部之中当船舶碰撞、搁浅时有可能受到冲击的部位，具体依赖于船舶的种类。
例如，在散货船中，可以将没有压载舱且船舱为1片外板的部位(即，没有内板的部位)确定为需要抑制破口的部位，并在该部位的焊接接头使用上述焊接接头。或者，也可以将作为燃料储罐一部分的外板所在的部位确定为需要抑制破口的部位，并在该部位的焊接接头使用上述焊接接头。
另外，例如在液货船中，可以将与储藏有成品油(原油液货船的情况下为原油)的储罐所在的内板相对的外板的部位确定为需要抑制破口的部位，并在该部位的焊接接头使用上述焊接接头。
另外，例如在球形储罐方式的LNG船中，可以将贮存有LNG的球形储罐最接近的船侧外板的部位确定为需要抑制破口的部位。在该情况下，由于储罐为球形，因此在俯视及侧视时，该部位无需为覆盖储罐整体的部分，仅为储罐最接近的部分即可。并且，也可以将上述焊接接头用于特定部位的焊接接头。根据需要，也可以将球形储罐最接近的船侧外板的周边部位也确定为需要抑制破口的部位。
以上方法是根据船舶的设计图来确定需要抑制破口的部位的方法。也可以利用FEM进行各构件的吸收能量分析，并确定需要抑制破口的部位。
需要说明的是，在船体结构中，上述焊接接头可以用于船侧部或船底部的防挠曲件、横梁、纵梁中任一者的对接焊接接头的部分部位或者该对接焊接接头的所有部位。另外，在船体结构中，上述焊接接头也可以用于上甲板、舭中任一者的对接焊接接头的部分部位或者该对接焊接接头的所有部位。
另外，上述焊接接头除了能够用于大型船舶之外，也能够用于小型船舶，特别是在应用于大型船舶时效果大。进而，上述焊接接头能够用于双层船壳结构(双层船壳)的船舶、单层船壳结构(单层船壳)的船舶中的任意者。需要说明的是，在单层船壳结构的情况下，外板也可视为内板(相反，内板也可视为外板)。
需要说明的是，以上实施方式的船体结构中使用具有IACS的统一标准所规定的总伸长率的值的1.40倍以上的总伸长率的高延性钢板。不过，在高延性钢板的品质管理方面，作为上述高延性钢板的现实制造目标，优选使其为IACS的统一标准所规定的总伸长率的值的1.50倍或1.50倍以上。
实施例
下面，示出实施例及比较例并对本实施方式的焊接接头进行具体说明。
首先，本发明人等对以下的表4所示的高延性钢板和现有钢实施了接头拉伸试验，进行了验证。作为现有钢，使用了YP36钢(屈服应力36kgf/mm2，1kgf为约9.8N)。需要说明的是，以下的表4中还一并记载了屈服应力(YP)、拉伸强度(TS)以及总伸长率(EL)。另外，以下的表4中的“倍率”这一项表示的是，相对于IACS的统一标准所规定的总伸长率的值的倍率。
[表4]
表4
*：相对于IACS的统一标准所规定的总伸长率的值的倍率
接着，利用EGW、CO2电弧焊或SAW制作上述表4所示的高延性钢板间的焊接接头和现有钢间的焊接接头各2个，并利用基于JIS Z 2241：2011的1A号拉伸试验(使用标点间距离为200mm、宽度为40mm的扁平形接头试验片)，对各个焊接接头进行接头拉伸试验。
此时，各焊接方法的焊接条件设定为如下所示的表5所示。
另外，以下的表5中的试验No.7使用了不匹配的焊接材料。另外，使以下的表5中的试验No.8达到比试验No.4更大的线能量。
另外，针对供于接头拉伸试验之前的焊接接头，利用先前说明的方法测定了式(1)～式(4)所记载的各参数的具体值，结果分别为如下。
将上述接头拉伸试验的结果示于以下的表5。表5中示出了各钢材及各焊接方法的接头拉伸试验片的拉伸强度(TS)和总伸长率(EL)的测定结果、以及断裂位置。其中，以下的表5中的“倍率”这一项表示的是相对于IACS的统一标准所规定的母材部的总伸长率的值的倍率。进而，图6针对试验No.1和No.5示出了试验后的接头拉伸试验片的状态。
如表5及图6所示，确认到本试验所使用的高延性钢板间的焊接接头在母材部断裂，延性(伸长率)不降低。另一方面，确认到现有钢间的焊接接头在HAZ断裂，延性大幅降低。
[表5]
本发明人等针对在上述接头拉伸试验中，高延性钢板的EGW的焊接接头(以下称为“EGW接头”)在母材部断裂，而现有钢的EGW接头在HAZ断裂这一结果进行了研究。
图7示出高延性钢板的EGW接头的截面硬度分布，图8示出现有钢的EGW接头的截面硬度分布。图7的(b)及图8的(b)中，横轴表示距EGW接头中心的距离，纵轴表示维氏硬度(Hv)。另外，在图7的(b)及图8的(b)所示的焊接接头中，距中心的距离为±10mm的部分为焊接金属部，焊接金属部的外侧(距中心的距离为±10mm～±20mm的部分)为HAZ，此外，HAZ的外侧(距中心的距离比±20mm更外侧的部分)为母材部。另外，图7的(b)及图8的(b)中示出了2个图表。“t/4”是图7的(a)及图8的(a)所示的EGW接头中对应于距表面为板厚t的1/4的深度的位置，“3t/4”是图7的(a)及图8的(a)所示的EGW接头中对应于距表面为板厚t的3/4的深度的位置。
如图7的(b)所示，高延性钢板的焊接接头的HAZ的硬度与母材部的硬度大致相同。另一方面，如图8的(b)所示，现有钢的焊接接头的HAZ的硬度比母材部的硬度小，HAZ在宽范围内软化。需要说明的是，图8的(b)中一并记载了与HAZ宽度Lh对应的范围。
因此明确了，若焊接接头的HAZ在宽范围内软化，则在HAZ断裂，延性(伸长率)大幅降低。换言之，高延性钢板的焊接接头即使在以大线能量焊接来制作的情况下，也不易产生HAZ软化，因此在母材部断裂，延性不降低。而另一方面，现有钢的焊接接头在以大线能量焊接来制作的情况下，HAZ在宽范围内软化，因此在HAZ断裂，延性大幅降低。
以上，参照附图对本发明的优选实施方式进行了详细说明，但本发明并不限定于上述例子。只要是具备本发明所属的技术领域的通常知识的人，就显然能够在权利要求书所记载的技术思想的范围内想到各种变更例或修正例，这些自然也应被理解为属于本发明的技术范围。
产业上的可利用性
本发明可用于重点需要船体结构具有优异的耐碰撞性的船舶。
附图标记说明
10 船侧部
11 外板
12 内板
13 外板所附带的防挠曲件
14 内板所附带的防挠曲件
15 横梁
16 纵梁
20 船底部
21 外板
22 内板
23 外板所附带的防挠曲件
24 内板所附带的防挠曲件
25 横梁
26 纵梁
30 上甲板
31 舭

Claims (7)

1.一种焊接接头，其为使用钢板形成的对接焊接接头，
所述钢板满足遵循国际船级社协会(IACS)的统一标准(Unified Requirement W11Rev.9 2017)的标准，且具有所述统一标准所规定的总伸长率的值的1.40倍以上的总伸长率，
将所述对接焊接接头的板厚设为t(mm)、将焊接热影响区的宽度设为Lh(mm)、将所述焊接热影响区的硬度设为Hh、将母材部的硬度设为Hb、并且将焊接金属部的硬度设为Hw时，
在Hh/Hb小于0.97的情况下满足下述式(1)～(4)，
在Hh/Hb为0.97以上的情况下满足下述式(3)～(4)，
Lh≤(0.034t+0.510)/(1-Hh/Hb)0.9···(1)
Hh/Hb≥0.70···(2)
Hw/Hb≥1.0···(3)
6≤t≤40···(4)。
2.根据权利要求1所述的焊接接头，其中，所述钢板通过所述统一标准所规定的强度分类为32、36或40。
3.根据权利要求1或2所述的焊接接头，其中，在使用标点间距离为200mm、宽度为40mm的扁平形接头试验片的拉伸试验中的总伸长率的值为所述统一标准所规定的母材部的总伸长率的值的1.40倍以上。
4.一种焊接接头的设计方法，其为使用钢板形成的对接焊接接头的设计方法，
所述设计方法具有如下步骤：
钢板选定步骤，选定如下钢板作为所述钢板，该钢板满足遵循国际船级社协会(IACS)的统一标准(Unified Requirement W11 Rev.9 2017)的标准，且具有所述统一标准所规定的总伸长率的值的1.40倍以上的总伸长率；以及
焊接条件设定步骤，以下述方式设定对接焊接的焊接条件，将所述对接焊接接头的板厚设为t(mm)、将焊接热影响区的宽度设为Lh(mm)、将所述焊接热影响区的硬度设为Hh、将母材部的硬度设为Hb、并且将焊接金属部的硬度设为Hw时，在Hh/Hb小于0.97的情况下满足下述式(1)～(4)，在Hh/Hb为0.97以上的情况下满足下述式(3)～(4)，
Lh≤(0.034t+0.510)/(1-Hh/Hb)0.9···(1)
Hh/Hb≥0.70···(2)
Hw/Hb≥1.0···(3)
6≤t≤40···(4)。
5.一种焊接接头的制造方法，其为使用钢板形成的对接焊接接头的制造方法，
所述制造方法具有如下步骤：
钢板选定步骤，选定如下钢板作为所述钢板，该钢板满足遵循国际船级社协会(IACS)的统一标准(Unified Requirement W11 Rev.9 2017)的标准，且具有所述统一标准所规定的总伸长率的值的1.40倍以上的总伸长率；
焊接条件设定步骤，以下述方式设定对接焊接的焊接条件，将所述对接焊接接头的板厚设为t(mm)、将焊接热影响区的宽度设为Lh(mm)、将所述焊接热影响区的硬度设为Hh、将母材部的硬度设为Hb、并且将焊接金属部的硬度设为Hw时，在Hh/Hb小于0.97的情况下满足下述式(1)～(4)，在Hh/Hb为0.97以上的情况下满足下述式(3)～(4)；以及
焊接步骤，在所述焊接条件设定步骤中设定的所述焊接条件下，对所述钢板选定步骤中选定的所述钢板进行焊接，
Lh≤(0.034t+0.510)/(1-Hh/Hb)0.9···(1)
Hh/Hb≥0.70···(2)
Hw/Hb≥1.0···(3)
6≤t≤40···(4)。
6.一种船体结构，其中，船侧部或船底部的外板的对接焊接接头的部分部位或者该对接焊接接头的所有部位、或者船侧部或船底部的内板的对接焊接接头的部分部位或者该对接焊接接头的所有部位为权利要求1～3中任一项所述的焊接接头。
7.一种船体结构，其中，在船侧部或船底部的外板或内板的对接焊接接头中需要抑制破口的部位为权利要求1～3中任一项所述的焊接接头。
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