本发明涉及焊接接合部。更具体而言，涉及钢结构的焊接接合部。
背景技术：
在将钢材彼此焊接接合的焊接接合部中，通常形成实施焊接金属的抗拉强度大于钢材的抗拉强度规格下限值这样的焊接施工而成的接缝(焊接接合部)(超强匹配)。这是为了通过使焊接部的焊接金属的抗拉强度比被焊接的钢材强，从而防止焊接部处的过早断裂、并充分满足规定的设计强度。作为这种发明，提出了下述专利文献1的发明。
近年来，已经开发并使用了高强度钢材。对于使用高强度钢材、并实施相对于该钢材的抗拉强度而成为超强匹配的焊接施工而言，焊接条件的管理困难、施工效率也显著降低。另外，针对抗拉强度为780mpa以上的超高强度钢材，现状是，可安心使用的焊接材料匮乏、且难以获取。
关于使用高强度钢材时的上述问题，对于角焊而言，提出了下述专利文献2、3的发明。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开第3752616号公报
专利文献2：日本特开2013-139047号公报
专利文献3：日本特开2014-8515号公报
技术实现要素：
发明要解决的课题
但是，在专利文献2、3中记载的发明中存在下述问题：由于形状的原因而易于在加强焊接金属的缝边部(weldtoe)发生应力集中，因此当拉伸应力施加作用时，发生脆性断裂的可能性高。
需要说明的是，在高强度钢材的焊接部，熔透量(penetrationamount)易于因低热输入条件下的焊接施工而变小。另外，在专利文献2中那样的加强焊接金属通过气体保护电弧焊而由一道焊缝形成的情况下，还会发生所述缝边部近旁的母材热影响区的韧性降低等问题，可能发生焊接部处的过早脆性断裂。
本发明的目的在于，即使是在焊接金属的抗拉强度低于钢材的抗拉强度的情况(低强匹配)下也能够确保焊接接合部强度、并能够防止脆性断裂的焊接接合部。
用于解决课题的手段
为解决上述问题，本发明采取了下述手段：1)设置如下堆高，以使得与焊接部相比，钢材中先行发生断裂，所述堆高使得焊接部强度(＝堆高与钢材板厚与背面熔深等的总厚度×焊接金属强度)大于钢材强度(＝板厚×钢材应力)；2)在钢材表面上设置规定宽度的加强焊道(reinforcingbead)，以更切实地使钢材断裂先进行；3)为了防止加强焊道缝边部处的脆性断裂，使所述加强焊道缝边部的侧面角(flankangle)为规定的值；等。
借助上述手段，可得到下述效果：1)即便焊接金属的抗拉强度低于钢材的抗拉强度，也能够获得充分的强度；2)能够减轻加强焊道缝边部的应力·应变集中；3)即使对于超高强度钢材而言，也能够缓和施工条件(减少超强匹配焊接的情况下余热，能够实现高热输入焊接并且能够简化焊接工序)并且能够确保接缝强度；等。
本申请的发明人基于以上发现并在进一步研究的基础上，完成了本发明。本发明的主要内容如下所述。
[1]焊接接合部，其具备两钢材、和所述两钢材的接合部处的焊接金属，并且所述焊接接合部的至少一个面具有在所述两钢材的表面上堆起的堆高，作为在所述钢材的表面上堆起的堆高的各加强焊道的宽度为钢材表面端部的堆高厚度以上，各加强焊道缝边部的侧面角θ为145°～170°，所述焊接金属的抗拉强度小于所述各钢材的抗拉强度，所述焊接接合部满足下式(1)的条件；
[数学式1]
(a+t+d)×σuw≥α×t×tsl...(1)
式(1)中，a为堆高的最大厚度(mm)，t为钢材的厚度(mm)，σuw为焊接金属的抗拉强度(mpa)，α为安全系数(无单位)且是由1.01～1.20规定的值，tsl为钢材的抗拉强度(mpa)；d为0以上，并且在两表面上均具有堆高的情况下，d是另一堆高的最大厚度(mm)。
[2]根据[1]中记载的焊接接合部，其中，α为安全系数(无单位)且是由1.03～1.20规定的值。
[3]根据[1]或[2]中记载的焊接接合部，其中，在与具备所述堆高的面相反一侧的面上具备具有凹部的凹型垫板，所述式(1)中的d为所述凹型垫板中的填充深度(mm)。
[4]根据[1]或[2]中记载的焊接接合部，其中，在与具备所述堆高的面相反一侧的面上具备垫板，所述垫板具有熔透部，所述式(1)中的d为所述熔透部中的熔深(mm)。
[5]根据[1]～[4]中任一项中记载的焊接接合部，其中，所述钢材中的至少一者具有坡口角度φ为15°～35°的坡口。
[6]焊接接合部的制造方法，其为[1]～[5]中任一项中记载的焊接接合部的制造方法，其中，在两钢材的根部间隙中形成焊接金属，进一步在至少一个面上形成在所述两钢材的表面上堆起的堆高。
[7]根据[6]中记载的焊接接合部的制造方法，其中，在所述根部间隙中具备垫板或凹型垫板并进行焊接。
发明效果
通过本发明，可提供能够确保使用了高强度钢材的低强匹配焊接接合部处的焊接接合部强度并防止脆性断裂、并且能够缓和焊接施工条件的焊接接合部。
附图说明
[图1]图1为对本发明的一实施方式进行说明的概略图。
[图2]图2为对焊接接合部的尺寸等进行说明的概略图。
[图3]图3为对焊接接合部的尺寸等进行说明的概略图。
[图4]图4为示出加强焊道缝边部的侧面角与应力集中系数的关系的图。
[图5]图5为对本发明的一实施方式进行说明的概略图。
[图6]图6为对本发明的一实施方式进行说明的概略图。
[图7]图7为对本发明的一实施方式进行说明的概略图。
[图8]图8为二维平面应变元模型的一例。
[图9]图9为对研究侧面角的量规进行说明的概略图。
具体实施方式
以下，对本发明详细进行说明。本发明为焊接金属的抗拉强度小于钢材的抗拉强度的低强匹配的焊接接合部。本发明在以往难以应用的高强度的钢材中也能够适用、此外对于钢材与焊接金属的抗拉强度差大的情况也能够适用。具体而言，本发明优选应用于钢材的抗拉强度为600～900mpa的高强度的物体，钢材的抗拉强度进一步优选为600～800mpa。另外，焊接金属的抗拉强度为例如550mpa以上，另外，上限为例如800mpa。从焊接施工性的观点等考虑，现实中，焊接金属的抗拉强度为例如550～700mpa。另外，本发明中，钢材与焊接金属的抗拉强度差还可以大于200mpa。当然，也能够适用于钢材与焊接金属的抗拉强度差为200mpa以下的情况。钢材与焊接金属的抗拉强度差优选为250mpa以下。需要说明的是，在本发明中，钢材的抗拉强度按照jisz2241金属材料拉伸试验方法来确定。焊接金属的抗拉强度使用jisz3111a0号试验片、a1号试验片或a2号试验片按照jisz2241金属材料拉伸试验方法来确定。
图1为对接焊中的焊接接合部的剖面概略图，并且是对本发明的一实施方式进行说明的概略图。如图1所示，本发明的焊接接合部是由对接焊形成的，并且是由在母材(钢材)的整个厚度的范围内熔透的全熔透焊接形成的。图1所示的焊接接合部具有左右大致对称的形状。以下，在本发明的说明中，省略了焊接热影响区的图示。
焊接接合部(焊接接缝)1具备两钢材4、和在它们的接合部处的焊接金属3，即焊接接合部(焊接接缝)1具备焊接金属3及其两侧的钢材4。在焊接金属3中，以虚线表示的宽度(钢材4的最靠焊接金属部3侧彼此之间)的区域为宽度方向中心部2。在钢材4彼此的根部间隙部具备垫板6的状态下进行焊接，能够得到如上所述的焊接接合部。需要说明的是，“垫板”在焊接前是在待焊接的钢材侧的表面上不具有凹部的平板(例如平钢)，通过焊接，其一部分熔化从而成为如图1那样具有凹部的形状。
图1上侧的面具有最大厚度为a的堆高，在钢材4的表面也具有堆起的堆高(加强焊道5)。钢材表面端部的堆高厚度以双箭头9表示。另外，从钢材表面端部至焊接缝边部8为加强焊道的宽度。焊接缝边部8的侧面角以θ表示，钢材4中的坡口部的坡口角度以φ表示。在与具备堆高的面相反一侧的面上具备垫板6，该垫板具有深度为d的熔透部7。
使用图2，针对宽度方向中心部2上的堆高、钢材表面端部的堆高、加强焊道宽度，进一步说明优选实施方式。图2中，以横轴为x，宽度方向中心部2的中央为x＝0。x1为坡口的前端位置，x2为钢材表面端部位置，x3为加强焊道缝边部位置。
图2中的a为堆高的最大厚度，优选的是，在宽度方向中心部2上(宽度方向中心部2正上方)，堆高达到最大厚度。需要说明的是，从与焊接部相比使钢材中先行发生断裂的观点考虑，本发明的焊接接合部满足下式(1)的条件。另外，各加强焊道的宽度设置为钢材表面端部的堆高厚度以上。
[数学式2]
(a+t+d)×σuw≥α×t×tsl...(1)
式(1)中，a为堆高的最大厚度(mm)，t为钢材的厚度(mm)，σuw为焊接金属的抗拉强度(mpa)，α为安全系数(无单位)且是由1.01～1.20规定的值，tsl为钢材的抗拉强度(mpa)；d为0以上，并且在两表面上均具有堆高的情况下，d是另一堆高的最大厚度(mm)。即，d为钢材的背面的堆高的最大厚度(mm)(在背面设置有垫板的情况下，为垫板的熔深)，在背面没有堆高的情况下为0。图1中，d为熔透部中的熔深(mm)。需要说明的是，在不具备垫板、在垫板中没有熔透部的情况下，d＝0。另外，式(1)中，α为安全系数(无单位)并且优选为由1.03～1.20规定的值。像这样，当α为1.03～1.20时，可更切实地发挥出本发明的效果(即可提供能够确保使用了高强度钢材的低强匹配焊接接合部处的焊接接合部强度并防止脆性断裂、并且能够缓和焊接施工条件的焊接接合部这样的效果)。
图2中，x2位置处的堆高厚度为钢材表面端部的堆高厚度。优选的是，图2中的x1～x2间的任意位置处的坡口部堆高ax满足下式(2)的条件。
[数学式3]
坡口部堆高厚度ax(mm)；(t-tx+ax)×σuw+tx×tsl≥α×t×tsl···(2)
此处，t为钢材的厚度(mm)，tx为坡口部的钢材的厚度(mm)，σuw为焊接金属的抗拉强度(mpa)，α为安全系数(无单位)并且是由1.01～1.20规定的值，tsl为钢材的抗拉强度(mpa)。式(2)中，α为安全系数(无单位)并且优选为由1.03～1.20规定的值。像这样，当α为1.03～1.20时，能够更切实地发挥出本发明的效果。
图2中的x3-x2为加强焊道的宽度(mm)。加强焊道的宽度优选满足下式(3)的条件。
[数学式4]
需要说明的是，上式(3)中，ax2为钢材表面端部的堆高厚度(mm)，θ为侧面角。
图3为对焊接接合部的尺寸等进行说明的概略图，对于本发明的实施方式而言，为表示多种板厚条件下的堆高高度(厚度)与距宽度方向中心部的中央的距离之间的关系的图。条件如下所述。需要说明的是，图3的图通过以下条件利用式(1)～(3)确定。
·宽度方向中心部2的宽度方向距离(各钢材的最靠焊接金属部侧彼此的间隔)＝7.0mm，坡口角度φ＝35°，侧面角θ＝150°，钢材的厚度＝25～50mm，d＝0mm
·钢材抗拉强度规格下限值tsl＝780mpa，焊接金属抗拉强度σuw＝650mpa
·安全系数α＝1.1
如图3所示，如上所述，优选的是，宽度方向中心部(图3中的0～x1)中的任意位置处，堆高高度均达到最大。对于宽度方向中心部的堆高高度(堆高的最大厚度a)而言，当t＝25mm时为8.0mm、t＝28mm时为9.0mm、t＝32mm时为10.2mm、t＝36mm时为11.5mm、t＝40mm时为12.8mm、t＝45mm时为14.4mm、t＝50mm时为16.0mm。
对于钢材表面端部(图3中的x2)的堆高高度(钢材表面端部的堆高的厚度ax2)而言，当t＝25mm时为3.0mm、t＝28mm时为3.4mm、t＝32mm时为3.8mm、t＝36mm时为4.3mm、t＝40mm时为4.8mm、t＝45mm时为5.4mm、t＝50mm时为6.0mm。
对于从宽度方向中心部的中央至加强焊道缝边部的距离而言，当t＝25mm时为26.2mm、t＝28mm时为28.9mm、t＝32mm时为32.6mm、t＝36mm时为36.2mm、t＝40mm时为39.8mm、t＝45mm时为44.4mm、t＝50mm时为48.9mm。
另外，对于加强焊道的宽度x3-x2而言，当t＝25mm时为5.2mm、t＝28mm时为5.8mm、t＝32mm时为6.6mm、t＝36mm时为7.5mm、t＝40mm时为8.3mm、t＝45mm时为9.4mm、t＝50mm时为10.4mm。
需要说明的是，在本发明中，从确保焊接部强度的观点考虑，堆高高度的最大值(堆高的最大厚度a)优选设为7.0～20.0mm，更优选设为15mm～20mm。
另外，从防止加强焊道缝边部处的断裂的观点考虑，钢材表面端部的堆高厚度ax2优选设为2.5～10mm，更优选设为5mm～10mm。
另外，从缓和加强焊道缝边部的应力集中的观点考虑，加强焊道的宽度x3-x2优选设为5.0mm～50mm。
另外，从加强焊道焊接施工性的观点考虑，钢材的厚度t优选设为12～80mm，更优选设为12mm～60mm。
另外，从确保焊接部熔透量的观点考虑，宽度方向中心部的宽度方向距离(根部间隙)优选设为3.0mm～10.0mm。
接下来，对侧面角进行说明。在本发明中，侧面角利用半径规(radiusgauge)确定。需要说明的是，所谓侧面角，是指加强焊道缝边部8处的加强焊道5的切线与钢材4表面所成的角θ。
针对具备图1所示构成的焊接接合部，通过fem弹塑性分析研究了加强焊道缝边部的侧面角与应力集中系数(产生了作用于焊接接缝部件的平均应力的多少倍的应力)。通过二维平面应变元模型使侧面角从180°至140°变化从而对模型进行了分析。图8为元模型的一例。另外，作为分析结果例，将钢材板厚32mm、钢材强度780mpa、焊接金属强度700mpa的情况的结果示于图4。
由至此的实验确认到，当fem弹性分析时的应力集中系数为3以下时，在实际的焊接接合部处由于塑性变形(plasticization)的影响而实质上保持最大强度。在本发明中，从安全的方面考虑，设置为使得应力集中系数为2.5以下这样的侧面角θ。
为了减轻加强焊道缝边部处的应力·应变集中从而防止脆性断裂，侧面角θ为145°以上。另一方面，从焊接施工性的观点考虑，侧面角θ为170°以下。侧面角优选为145°～160°。
在图1的焊接接合部1中，各钢材4具有一侧坡口。为了防止梨形裂纹等，坡口角度φ优选为15°～35°。
在图1的焊接接合部1中，下侧的面具备垫板6，从与焊接部相比使钢材中的断裂先行发生的观点考虑，该垫板6具有深度d的熔透部7。深度d优选设为2mm以上，更优选设为3mm以上。在钢材强度为780mpa以上的情况下、钢材的厚度(t)为19mm～40mm的情况下，从避免相对于板厚而言过大的堆高的观点考虑，更优选将深度d设为5mm～10mm(深熔透部)。需要说明的是，在形成深熔透部的情况下，优选预先确定焊接条件、并确认以何种程度熔透。需要说明的是，在考虑熔深d并确定堆高高度的情况下，从确保焊接金属强度的观点考虑，垫板6优选使用强度为590～780mpa的材料。
图5为示出图1所示实施方式的变形例的概略图。在图5记载的实施方式中，在钢材的上下侧两面具备堆高，在各面中具备与基于上述图1的实施方式同样的构成。在上式(1)中，d并非熔透部中的熔深，而是堆高的高度(mm)。即，在上式(1)中，将上下面的堆高高度分别设为a、d。
以下，说明其他的实施方式。在以下的实施方式中，也可以具备已经说明了的构成。在任意实施方式中，均可以如图5所示在钢材的上下侧两面具备堆高。
图6为对本发明的一实施方式进行说明的概略图，在该实施方式中，使用具有凹部的凹型垫板6。所述凹部可以位于宽度方向中心部2上。在该凹部内具有焊接金属的填充部10。凹部(填充部10)的深度d没有特别限定，优选为5mm～10mm。需要说明的是，对于填充部10的深度(填充深度)d和上述熔透部的深度d而言，在使得与焊接部相比使钢材中的断裂先行进行的观点考虑而设置这一方面均是共通的。在图6所示的实施方式中，从焊接施工性的观点考虑，在钢材强度为780mpa以上的情况、钢材的厚度(t)为40mm～80mm的情况下优选使用。
图7为对本发明的一实施方式进行说明的概略图。各钢材4的厚度不同，并且是一者的钢材4不具备坡口的单斜面坡口(singlebevelgroove，日文为：レ型開先)。在该情况下，也在两侧设置加强焊道5。左侧钢材(较厚的钢材)的表面端部的堆高厚度a0可以由右侧钢材(较薄的钢材)的表面端部的堆高厚度ax2、两钢材的厚度t1、t2(较薄的钢材的厚度为t1，较厚的钢材的厚度为t2)求出(a0＝ax2-(t2-t1))。对于左右中的任一者而言，加强焊道5的宽度(mm)均为钢材表面端部的堆高厚度以上。在一者的钢材不具备坡口的情况下，另一者的钢材的坡口角度φ从焊接施工性的观点考虑优选为25°～35°。
需要说明的是，在图7所示的实施方式中，宽度方向中心部2中的堆高厚度并非唯一确定。但是，在以左侧的钢材为基准进行判断的情况下、当宽度方向中心部2中的堆高厚度为堆高厚度a0以上时，并且在以右侧的钢材为基准进行判断的情况下、当宽度方向中心部2中的堆高厚度为堆高厚度ax2以上时，能够判断为“宽度方向中心部2上堆高最大”。另外，上式(1)中，采用较薄的板厚。
本发明中，钢材可适当选择使用。例如，作为钢材的组合，可采用钢板与钢板、h型钢的凸缘与钢板的组合。另外，也可以将本发明适用于uoe钢管、螺旋钢管的焊接接合部。
上述本发明的焊接接合部的制造方法、即形成方法(焊接方法)没有特别限定。例如，可利用下述本发明的焊接接合部的制造方法来制造：在两钢材的根部间隙中形成焊接金属，进一步在至少一个面上形成在两钢材的表面上堆起的堆高。此时，优选在根部间隙具备垫板或凹型垫板并进行焊接。具体而言，例如，可利用埋弧焊来形成。另外，可以通过热输入量50～200kj/cm的条件下的1个道次(pass)来形成焊接接合部，也可以通过热输入量10～40kj/cm条件下的2个道次以上的多个道次来形成焊接接合部。
实施例
实施了焊接接缝(焊接接合部)的拉伸试验。具体而言，如图1所示，首先，以堆高厚度目标值成为10mm(目标是安全系数α＝1.1)、8mm(目标是安全系数α＝1.01)、4mm的方式，对2片相同的钢板(板厚25mm×宽度400mm×长度200mm的抗拉强度780mpa级的钢板)实施对接焊，从而得到焊接接缝(焊接部件)。然后，作为试验体，通过机械加工以试验部位的宽度成为75mm的方式从所得焊接接缝切出试验体。由所得试验体的宏观试验(观察焊接部的剖面的试验)可知，试验体no.1～no.3中的任一者的加强焊道缝边部的侧面角θ均为145°。需要说明的是，针对侧面角θ，通过使用图8所示的不锈钢制的量规20，能够简单地确认是否为规定范围内的角度。图8为对检查侧面角的量规进行说明的概略图，例如通过使用角度z为145°的量规和角度z为170°的量规，能够简单地判断侧面角θ是否在145°～170°的范围内。坡口、焊接条件如下所述。
＜坡口＞
坡口形状：v形坡口，坡口角度(坡口角度φ)：35°，根部间隙(r.g.)：5mm，垫板：厚度9mm×宽度25mm
＜焊接条件＞
焊接材料：680n/mm2级实心焊丝，直径＝1.4mm
电流：280～300(a)，电压：28～30(v)，速度：18～30(cm/min)，道间温度(inter-passtemperature)：最高250℃
抗拉强度、焊接部的测定结果以及拉伸试验结果示于表1。母材(钢材)及焊接金属的抗拉强度分别通过上述方法确定。母材(钢材)的屈服强度以及焊接金属的0.2％耐力分别根据jisz2241的规定确定。需要说明的是，no.3中，不存在加强焊道。
如表1所示，对于根据本发明制作的试验体、即加强焊道的宽度为钢材表面端部的堆高厚度以上、加强焊道缝边部的侧面角为145°以上且170°以下、并且焊接金属的抗拉强度小于各钢材的抗拉强度的、满足上式(1)的条件的no.1试验体以及安全系数α略低于no.1试验体的no.2试验体而言，确认到即使焊接金属强度弱、母材(钢材)中的断裂也先行进行。另一方面，在堆高厚度少的no.3试验体中，结果是焊接金属中的断裂先行进行。由试验结果确认到由本发明带来的效果。
附图标记说明
1焊接接合部
2宽度方向中心部
3焊接金属
4钢材
5加强焊道
6垫板
7熔透部
8加强焊道缝边部
9钢材表面端部的堆高厚度
10填充部