JP4719118B2 - 耐脆性破壊発生特性に優れた電子ビーム溶接継手 - Google Patents
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風力発電に最も適している地域は、絶えず強風を期待できる地域であり、洋上風力発電も世界的規模で実現されている。洋上に風力発電塔を建設するためには、海底の地盤に塔の基礎部分を打ち込む必要があり、海水面から風力発電のタービン翼の高さを十分確保するためには、基礎部分も十分な長さが必要である。
そこで、上記のような板厚100mmにもおよぶ極厚鋼板を高能率で、しかもオンサイトで溶接するという、従来にないニーズが生じてきた。
このRPEBW法を用いることにより、風力発電塔のような大型構造物を溶接する場合にも、溶接する部分だけを局所的に真空にして、効率的に溶接ができることが期待される。
しかし、RPEBW法を用いて溶接する際に、この方法では、インサートメタル中のNi等の元素が溶接熱影響部まで均一に拡散せず、溶接金属と溶接熱影響部(以下、HAZ部と称する)の硬さの差を増大させるため、かえってHAZ部の靭性が大きくばらつくという問題が明らかになってきた。
RPEBW法により溶接して得られる溶接継手は、上記のようなインサートメタルを使用する方法によってもHAZ部の靭性が大きくばらつくため、破壊靭性値δcを十分に確保することは困難であった。
そのようなNi含有量が高い鋼材を用いた溶接継手では、先の特許出願で提案した溶接金属部の硬さと母材の硬さの比を調整する手段によっても、良好な溶接継手の破壊靭性値δcを確保できない場合が生じた。
(1)Niを2.5質量%以上含有する鋼材を用いた溶接構造体の突合せ溶接継手であって、該溶接継手の溶接金属中に含まれるNiの含有量が質量%で4%超8%以下であり、溶接金属部の硬さが母材部の硬さの110%超220%以下であることを特徴とする耐脆性破壊発生特性に優れた電子ビーム溶接継手。
該溶接継手の溶接金属中に含まれるNiの含有量が質量%で4%超8%以下であり、溶接金属部の硬さが母材部の硬さの110%超220%以下であり、かつ、溶接溶融線から0.5mm入った溶接金属部の硬さが溶接溶融線から0.5mm入った母材部の硬さの100%以上180%以下であることを特徴とする耐脆性破壊発生特性に優れた電子ビーム溶接継手。
(4)前記溶接金属部の幅が前記鋼材の厚みの20%以下であることを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれかに記載の耐脆性破壊発生特性に優れた電子ビーム溶接継手。
(5)前記溶接構造体の溶接継手が板厚50mm超の高強度鋼板を突合せ溶接したものであることを特徴とする前記(1)〜(4)のいずれかに記載の耐脆性破壊発生特性に優れた電子ビーム溶接継手。
このため、上述のように、電子ビーム溶接の際、突合せ部にニッケル箔などのインサートメタルを挿入し、溶接金属部の焼入れ性を向上させ、Niの添加との相乗効果により靭性を確保する方法が知られているが、この方法によっても、FL部の靭性が大きくばらつくため、破壊靭性値δc値を十分に確保することは困難であった。
図1より、Ni含有量が3%の鋼板の場合、溶接金属(WM)のNi含有量が4%超〜8%の範囲にあるものは、WM部(○)及びFL,HAZ部(●)とも0.15mm以上のCTOD値を確保できるが、それ以外の範囲にあるものは、WM部あるいはFL,HAZ部のいずれかが0.15mm未満の低いCTOD値しか得られないことがわかる。
なお、δc値は高いほど望ましいが、ノルウェー海事協会(DNV)等の規格では、設計温度にて0.1〜0.2mm程度の値が要求されていることを踏まえ、本発明において目標とするδc値は、0.15mm以上とした。
以上の結果より、Ni含有量の高い鋼材の電子ビーム溶接継手では、FL部での局所応力を緩和するとともに、溶接金属のNi含有量を4%超〜8%とすることが、CTOD値の確保にとって有効であることがわかった。
その結果、FL部の局所応力は、溶接金属部の硬さの外に、さらに、溶接溶融線(FL)を間に挟んだ両側の狭い領域における強度の変化にも影響を受け、その変化が小さければ、FL部の局所応力の集中を緩和できることを、次のような実験によって見出した。
一般に、溶接金属となる領域では、母材との境界部から凝固が始まり、内部に進行する。凝固の際、合金元素によっては、固相と液相で溶解度が異なるため液相に濃縮するものがある。そのような元素の存在によって、凝固の初期と後期では溶接金属の化学成分が異なる場合が生じ、結果として溶接金属の硬さにばらつきが生じることがあり、そのばらつきの大きい場合に硬度の変化が大きくなり破壊靭性値δcが低下するものと考えられる。
そして、FLに亀裂が存在する場合、その亀裂先端に影響を与える領域は、±0.5mmの範囲であるから、溶接溶融線からHAZ側に0.5mm入った位置(FL+0.5)と、溶接溶融線から溶接金属側へ0.5mm入った位置(FL−0.5)での硬さHvによってFL部の局所応力が決定される。
本発明は、溶接構造体を形成する鋼材としてNiを2.5質量%以上含有する高強度鋼材を対象とする。使用する高強度鋼板としては、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、Ni:2.50〜9.0%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、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種以上を合計8%以下で含有する鋼が使用できる。
母材となる鋼材のNi含有量、目標とする溶接金属中のNi含有量、及び鋼材の寸法から、目標のNi含有量とするのに必要な純Ni箔の厚さを計算し、そのような厚さの箔を準備するか、薄い箔を必要な厚さになるように複数枚重ねることによりインサートメタルを準備する。
上記硬さの比が100%未満では、初析フェライト組織などが生成し、局所的に柔らかい組織が混在することが多いため、そこが破壊の起点となることがあり、必要な強度が確保できず、また、180%を超えると硬度の変化が大きすぎてFL部の局所応力が増大しすぎる。
また、RPEBW溶接を用いて電子ビーム溶接継手を作製する場合は、真空チャンバー内で、高真空状態で電子ビーム溶接(EBW溶接)により作製した溶接継手に比べ、溶接金属の幅が増大する傾向にある。
このため、本発明では、RPEBW溶接を用いた場合でも、電子ビーム溶接継手の破壊靭性値δcを安定して確保するために、溶接金属部の幅を、母材部の板厚の20%以下とするのが好ましい。
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。
なお、Hv(BM)は、10kgの圧痕により測定した母材の板厚方向における硬さの平均値である。Hv(WM)は、溶接金属部の板厚中央部において、10kgの圧痕により測定した硬さの値である。
また、Hv(FL+0.5)は、溶接溶融線からHAZ側に0.5mm入った位置でのかたさの値であり、Hv(FL−0.5)は、溶接溶融線から溶接金属側へ0.5mm入った位置での硬さの値である。
継手引張強度(MPa)は、NKU1号試験片を作製して、継手引張試験を行った結果であり、破断した強度を示すものである。
そのうち、本発明例の16、17は、鋼材厚みに対するビード幅の値が本発明で規定する好ましい範囲を超えているため、δc値が溶接金属部及びFL,HAZ部とも低めの値となっている。
比較例19、21は、溶接金属中のNi含有量が4%以下のため、Hv(WM)/Hv(BM)及びHv(FL−0.5)/Hv(FL+0.5)とも、本発明の規定する範囲内の値であるが、溶接金属のδcが不十分な値となっている。
比較例24は、鋼材のNi含有量が2.5%未満であり、溶接金属中のNi含有量、Hv(WM)/Hv(BM)、Hv(FL−0.5)/Hv(FL+0.5)はいずれも本発明の範囲内の値であるが、溶接金属及びFL,HAZ部ともδcが不十分な値となっている。
よって、本発明は、溶接構造体の安全性を顕著に高めるという顕著な効果を奏し、産業上の利用価値の高い発明である。
Claims (5)
- Niを2.5質量%以上含有する鋼材を用いた溶接構造体の突合せ溶接継手であって、
該溶接継手の溶接金属中に含まれるNiの含有量が質量%で4%超8%以下であり、溶接金属部の硬さが母材部の硬さの110%超220%以下であることを特徴とする耐脆性破壊発生特性に優れた電子ビーム溶接継手。 - Niを2.5質量%以上含有する鋼材を用いた溶接構造体の突合せ溶接継手であって、
該溶接継手の溶接金属中に含まれるNiの含有量が質量%で4%超8%以下であり、溶接溶融線から0.5mm入った溶接金属部の硬さが、溶接溶融線から0.5mm入った母材部の硬さの100%以上180%以下であることを特徴とする耐脆性破壊発生特性に優れた電子ビーム溶接継手。 - Niを2.5質量%以上含有する鋼材を用いた溶接構造体の突合せ溶接継手であって、
該溶接継手の溶接金属中に含まれるNiの含有量が質量%で4%超8%以下であり、溶接金属部の硬さが母材部の硬さの110%超220%以下であり、かつ、溶接溶融線から0.5mm入った溶接金属部の硬さが溶接溶融線から0.5mm入った母材部の硬さの100%以上180%以下であることを特徴とする耐脆性破壊発生特性に優れた電子ビーム溶接継手。 - 前記溶接金属部の幅が前記鋼材の厚みの20%以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の耐脆性破壊発生特性に優れた電子ビーム溶接継手。
- 前記溶接構造体の溶接継手が板厚50mm超の高強度鋼板を突合せ溶接したものであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の耐脆性破壊発生特性に優れた電子ビーム溶接継手。
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