具有抗脆性裂纹扩展性的焊接结构体的制作方法

专利名称：具有抗脆性裂纹扩展性的焊接结构体的制作方法
技术领域：
本发明涉及在焊接接头产生了脆性裂纹的场合控制、抑制脆性裂纹扩展的具有抗脆性裂纹扩展性的焊接结构体。特别是涉及即使在使用厚钢板并应用焊接的焊接结构物的焊接接头中产生了脆性裂纹的场合，也能够控制、抑制其扩展、提高安全性的具有抗脆性裂纹扩展性的焊接结构体。
背景技术：
近年，在大型集装箱船、散装货轮等的船舶用焊接结构体、建筑结构物、土木钢结构物所代表的焊接结构体中，要求针对脆性裂纹等的破坏的较高的安全性。特别是集装箱船，大型化显著，例如，变得制造出6000TEU以上的大型集装箱船，船壳外板的钢板进行了厚壁化以及高强度化，使用了板厚70mm以上、屈服强度390N/mm2级以上的钢板。在此,所谓TElXTwenty Feet Equivalent Unit),表示换算成长度20英尺的集装箱后的个数，表示集装箱船的装载能力的指标。这样的大型集装箱船，为了提高装载能力和装卸效率，被设为没有隔墙、较大地确保上部开口部的结构，特别是需要确保船壳外板、内板的强度，因此使用了如上述那样的高强度钢板。建造如上述那样的焊接结构物时，以建造成本的降低、建造效率提高为目的，广泛应用了大热输入焊接(例如，二氧化碳气体保护焊)。在应用小的热输入量的多层堆焊中，特别是钢板的板厚越增加，焊接工时越显著增加，因此要求以直到极限的大热输入进行焊接。可是，在钢板的焊接中应用大热输入焊接的场合，焊接热影响区(HAZ :HeatAFFected Zone)的韧性降低，HAZ的宽度也增大，因此存在对于脆性断裂的断裂韧性值降低的倾向。因此，以抑制在焊接接头中产生脆性裂纹、并且实现脆性裂纹的扩展停止(止裂，arrest)为目的，曾提出了抗脆性断裂特性优异的TMCP钢板(Thermo Mechanical Control Process :热加工控制)。通过使用上述TMCP钢板，作为对于脆性断裂产生的阻力值的断裂韧性值提高，在通常的使用环境中，结构物脆性断裂的可能性变得极低。可是，在地震、结构物彼此碰撞的事故和灾害等时，万一产生脆性断裂的话，有可能脆性裂纹沿HAZ扩展从而产生较大的破坏。例如，集装箱船等所代表的焊接结构体，使用板厚50mm程度的TMCP钢板等，万一在焊接接头中产生脆性裂纹，由于焊接残余应力，脆性裂纹从焊接区转向到母材侧，因此认为如果确保母材的止裂(arrest)性能，则可在母材中阻止脆性开裂。另外，在超过6000TEU的大型集装箱船等更大型的焊接结构体中，需要更大的板厚的钢板，而且，在简化结构的基础上，钢板的厚壁化有效，因此要求使用设计应力高的高强度钢的厚钢板。可是，使用了这样的厚钢板的场合，根据HAZ的断裂韧性的程度，脆性裂纹不会转向到母材，而是沿HAZ继续扩展，对焊接结构物造成大的破坏。
为了解决上述问题，曾提出了 对对接焊接接头的一部分实施补焊(对接头的一部分进行清理，在该部位进行填充焊接)，使沿HAZ扩展的脆性裂纹偏移到母材侧的结构的焊接结构体(例如，专利文献I)。可是，专利文献I的焊接结构体，在母材的断裂韧性非常优异的场合较有效，但在母材的断裂韧性不充分的场合，有可能转向到母材侧的脆性裂纹较长地扩展，作为结构物的强度显著降低。另外，存在填充焊接区的体积变大，工序时间变长，并且制造成本也增大的问题。另外，曾提出了下述的焊接结构体，在希望使焊接接头中产生的脆性裂纹的扩展停止的区域，以与焊接线交叉的方式贯通地焊接板状的止裂(arrester)构件，作为止裂件，使用表面和/或背面的板厚比为2%以上的厚度的表层区域的织构被适当化了的止裂构件(例如，专利文献2)。·可是，在将专利文献2中记载的焊接结构体应用于大型建造物的场合、例如，在焊接接头中扩展了的脆性裂纹，有可能在将止裂构件焊接于钢板而成的焊接接头中扩展并进入止裂构件，原样地在止裂构件的内部扩展后，再次在焊接接头中扩展。另一方面，在焊接接头中扩展了的脆性裂纹，在止裂构件和将该止裂构件焊接于钢板而成的焊接接头的位置，转向到母材侧的场合，与上述同样地，当母材的断裂韧性不充分时，脆性裂纹扩展得较长，也担心作为焊接结构物的强度显著降低的问题。现有技术文献专利文献I特开2005-131708号公报专利文献2特开2007-098441号公报

发明内容
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的是提供，即使是在焊接接头中产生了脆性裂纹的场合，也能够抑制脆性裂纹在焊接接头和/或母材中扩展，能够防止焊接结构体断裂的、具有抗脆性裂纹扩展性的焊接结构体。本发明者们为了防止在焊接结构体的焊接接头中产生的脆性裂纹在焊接接头和/或母材中扩展，对于在焊接接头的中途设置如专利文献2那样的控制脆性裂纹扩展的止裂构件的情况进行了刻苦研究。其结果发现，通过将止裂构件的形状、材质特性适当化，能够抑制焊接接头和母材中的脆性裂纹扩展，防止焊接结构体产生大规模的破坏，从而完成了本发明。即，本发明的要旨涉及请求保护的技术方案所述的以下内容。[I] 一种具有抗脆性裂纹扩展性的焊接结构体，是通过将钢板相互对接焊接形成钢板焊接接头而构成的焊接结构体，其特征在于，在上述钢板焊接接头的至少一个地方设置有抗裂纹控制部，所述抗裂纹控制部使在钢板焊接接头中产生的脆性裂纹的扩展停止，该抗裂纹控制部，由脆性裂纹扩展停止特性Kca为6000N/mm15以上的钢材构成，具有插入到从上述钢板焊接接头跨越上述钢板而形成的贯通孔中的止裂构件；和将该止裂构件的外缘部和与其对向的钢板母材对接焊接而形成的止裂焊接接头，上述止裂构件，沿着上述钢板焊接接头的纵向的高度H(mm)、与钢板焊接接头的纵向交叉的方向上的横向宽度W (mm)以及板厚t (mm)的各个尺寸满足下述(I) (3)式所表示的关系，并且，止裂构件的外缘部形成为在上述钢板焊接接头的纵向前后以相对于上述纵向为60°以上120°以下的范围的角度与上述钢板焊接接头交叉。2T 彡 H.....(I)3. 2d+50 ^ W.....(2)O. 90T ^ t.....(3)其中，上述(I) (3)式中，T表示上述钢板的板厚(mm)，d表示上述钢板焊接接头中的焊缝金属部的宽度(_)。[2]根据上述[I]所述的具有抗脆性裂纹扩展性的焊接结构体，其特征在于，表示上述止裂焊接接头中的焊缝金属部的韧性的脆性-延展性断口转变临界温度vTrS3 (0C) 与表示上述钢板的母材韧性的脆性-延展性断口转变临界温度VTrSl ( V )的关系满足下式所表示的关系vTrS3 ( vTrSl+20。[3]根据上述[I]或[2]所述的具有抗脆性裂纹扩展性的焊接结构体，其特征在于，上述钢板的板厚为25mm以上150mm以下。[4]根据上述[I] [3]的任一项所述的具有抗脆性裂纹扩展性的焊接结构体，其特征在于，上述钢板包括在上述钢板焊接接头的纵向排列的至少2个以上的小钢板，并且，通过将该小钢板相互对接焊接而形成有小钢板焊接接头，上述抗裂纹控制部设置为在从上述焊缝金属部延伸的止裂构件的后端部侧形成的上述止裂焊接接头，与上述小钢板焊接接头接触。[5]根据上述[I] [3]的任一项所述的具有抗脆性裂纹扩展性的焊接结构体，其特征在于，上述钢板包括在上述钢板焊接接头的纵向排列的至少2个以上的小钢板，并且，通过将该小钢板相互对接焊接而形成有小钢板焊接接头，上述抗裂纹控制部设置为在从上述焊缝金属部延伸的止裂构件的后端部侧形成的上述止裂焊接接头包含上述小钢板焊接接头，而且，表示构成上述小钢板焊接接头的焊缝金属部的韧性的脆性-延展性断口转变临界温度vTrS4 ( V )与表示上述钢板的母材韧性的脆性-延展性断口转变临界温度vTrSI (°C)的关系满足下式所表示的关系vTrS4 ( vTrSl+20。再者，本发明中，将包含焊缝金属部和焊接热影响区的部分定义为焊接接头。另夕卜，脆性裂纹扩展停止特性Kca是在该焊接结构体被使用的温度或者设计温度下的数值。根据本发明的焊接结构体，在焊接接头的至少一个地方设有抗裂纹控制部，所述抗裂纹控制部具有止裂构件和在其与母材钢板之间形成的止裂焊接接头，因此即使是焊接接头产生了脆性裂纹的场合，通过抗裂纹控制部，能够将在焊接接头中扩展的脆性裂纹转移到钢板母材的止裂性能高的部位，或者由抗裂纹控制部阻止，能够抑制脆性裂纹在焊接接头和/或母材中扩展。因此能够以高的生产效率和低成本得到可防止大规模破坏产生的焊接结构体。这样的本发明涉及的焊接结构体，通过用于以大型船舶为首的、建筑结构物、土木钢结构物等的各种焊接结构物，焊接结构物的大型化、针对破坏的高的安全性、建造中的焊接的高效率化、钢材的经济性等被同时地满足，因此其产业上的效果不可估量。


图I是说明本发明的模式图，a表示在钢板彼此被焊接而形成的钢板焊接接头的一部分中设有由止裂构件和止裂焊接接头构成的抗裂纹控制部的状态，b d表示脆性裂纹的扩展状况。图2是说明本发明涉及的焊接结构体的一例的模式图，是表示在钢板焊接接头的一部分中设有由止裂构件和止裂焊接接头构成的抗裂纹控制部的状态的平面图。图3是对于将本发明涉及的焊接结构体应用于船舶用焊接结构体的场合进行说明的概略图。图4是说明本发明涉及的焊接结构体的另一例的与图2同样的图。图5是说明本发明涉及的焊接结构体的又一例的与图2同样的图。图6是对于在本发明的实施例中使用的焊接接头试验体的制作方法进行说明的图。图7是对于本发明的实施例中的用于评价抗脆性裂纹扩展性的拉伸试验方法进行说明的图。
具体实施例方式以下，对于本发明的具有抗脆性裂纹扩展性的焊接结构体的实施方式，参照附图来详细说明。再者，本实施方式是为了更好地理解发明的要旨而详细说明的，因此只要不特别指定，并不限定本发明。以往，钢板焊接接头中产生的脆性裂纹，主要沿钢板焊接接头的纵向扩展。因此，存在下述问题钢板焊接接头中产生的脆性裂纹成为起点，有可能焊接结构体整体产生较大的破坏。本发明者等发现为了有效地控制上述那样的脆性裂纹的扩展方向，抑制焊接结构体中裂纹扩展，在上述现有技术中，进一步地将止裂构件的形状、材质适当化是重要的。对于本发明的基本原理，采用图I说明。本发明中，在将钢板1、1对接焊接而形成的钢板焊接接头2的中途设置抗裂纹控制部4，从而将钢板焊接接头2隔断。抗裂纹控制部4，由具有高的脆性裂纹扩展停止特性Kca的钢材构成，包括插入到从上述钢板焊接接头跨越上述钢板而形成的贯通孔3中的止裂构件5、和通过将该止裂构件5相对于钢板I进行对接焊接而形成的止裂焊接接头6。通过设置该抗裂纹控制部4，使钢板焊接接头2中产生的脆性裂纹的扩展如以下那样停止。在钢板焊接接头2的纵向的一方侧产生的脆性裂纹CR，沿着钢板I和钢板焊接接头2的边界(或者钢板母材的热影响区)扩展。到达了止裂焊接接头6的裂纹CR，进入到止裂焊接接头6中，接着进入到止裂构件5中，但由于止裂构件由Kca高的钢材形成，因此能够在止裂构件5内部使裂纹CR的进展停止。相反地，在止裂构件5的Kca低的场合、止裂构件的高度和板厚等不充分的场合等，如图Ι-c那样，裂纹跃过止裂焊接接头，并再返回到钢板焊接接头中，或如图Ι-d那样裂纹贯芽止裂构件5。本发明是在这样的基本原理下，对于阻止脆性裂纹进展的母材钢板的条件、控制脆性裂纹进展的止裂构件和止裂焊接接头的条件等进一步研讨而完成的，以下对于本发明的实施方式进行详细说明。、
[第I实施方式]<整体的构成>第I实施方式是，如图2所示，通过将钢板I、I对接焊接而形成钢板焊接接头2的场合的例子，以下，将应用于该接头的形态称为焊接结构体A来说明。在焊接结构体A中，在遭受由碰撞、地震等所致的大的破坏能量时可预想到裂纹产生·扩展的钢板焊接接头的至少一个地方，设置有抗裂纹控制部4。抗裂纹控制部4，以贯通钢板I的方式设置，包括由脆性裂纹扩展停止特性Kca为6000N/mm15以上的钢材构成的止裂构件5、和通过将该止裂构件5相对于钢板I进行对接焊接而形成的止裂焊接接头6。止裂构件5，形成为从与钢板焊接接头2的焊接线L相交的交点5a分别朝向钢 板内部延伸的外缘部50(51、52)，相对于钢板焊接接头2的纵向，以60°以上120°以下的范围的角度倾斜或正交。图2所示的焊接结构体A中，止裂构件5，通过使外缘部51、52相对于钢板焊接接头2的纵向的角度为90°，外缘部51、52相对于钢板焊接接头2均正交，形成为俯视时为大致四角形的长方形。< 钢板 >作为焊接结构体中所使用的钢板1，可以使用在船舶用焊接结构体、建筑结构物和土木钢结构物等的领域中具有以往公知的钢板特性的钢板。例如，可举出下述钢以质量％计，含有C :0. 01 O. 18%、Si :0. 01 O. 5%、Mn O. 3 2. 5%、P 0. 01%以下、S :0. 001 O. 02%的组成为基本，在该组成中，根据所要求的性能，还含有 N :0. 001 O. 008%,B 0. 0001 O. 005%、Mo :0. 01 I. 0%、A1 :0. 002 O. l%、Ti O. 003 O. 05%,Ca :0. 0001 O. 003%、Mg :0. 001 O. 005%,V :0. 001 O. 18%、Ni :0. 01 5. 5%、Nb 0. 005 O. 05%、Cu :0. 01 3. 0%、Cr :0. 01 I. 0%、REM 0. 0005 O. 005% 中的一种或者两种以上，其余量由Fe和不可避免的杂质构成。特别是作为脆性裂纹扩展停止特性Kca为eOOON/mm1·5以上的钢板，可优选地使用特开2007-302993号公报、特开2008-248382号公报等所示那样的组成的厚钢板。如图2所示，对焊接结构体A而言，通过将钢板I、I对接焊接而形成钢板焊接接头2。另外，在通过该钢板焊接接头2来接合的钢板I的各钢板中，以钢板焊接接头2的焊接线L为中心，在钢板I的每一个中成为对称地设置有用于贯穿地设置细节在后面叙述的止裂构件5的贯通孔3。钢板I的板厚，优选设为25mm以上150mm以下的范围。只要钢板I的板厚在该范围，就可以确保作为焊接结构体的钢板强度，并且可以得到优异的抗脆性裂纹扩展性。特别是使用了 40mm以上的钢板的焊接结构体，没有用于阻止脆性裂纹扩展的有效手段，在使用了板厚为40mm以上、更优选为50mm以上、且为IOOmm以下的钢板的焊接结构体中，本发明可更有效果地实施。<止裂构件>止裂构件5，如图2所示，在通过钢板焊接接头2来接合的钢板I的各钢板中形成的贯通孔3中，以钢板焊接接头2的焊接线L为中心，在钢板I的每一个中成为对称地配置。另外，止裂构件5，与止裂焊接接头6 —同构成抗裂纹控制部4，所述止裂焊接接头6是通过对在钢板I中形成的贯通孔3内露出的焊接端进行对接焊接而形成的。通过止裂构件5构成如上述那样的抗裂纹控制部4，即使是钢板焊接接头2中产生了裂纹的场合，在设置于钢板焊接接头的中途的抗裂纹控制部的止裂构件5内部，也使裂纹的扩展停止，防止裂纹以贯穿钢板焊接接头2的方式扩展，相互焊接了的钢板I彼此隔断。止裂构件5，由脆性裂纹扩展停止特性Kca = 6000N/mmL5以上的钢材构成。另外，图2所示的例子的止裂构件5，形成为从与焊接线 L的交点5a向各个钢板内部延伸的外缘部51、52，相对于钢板焊接接头2的纵向，以60°以上120°以下的范围的角度Θ倾斜或正交。另外，图示例的止裂构件5，通过外缘部51、52相对于钢板焊接接头2的纵向的角度设为90°，外缘部51、52相对于钢板焊接接头2均正交，直线状地连接从而形成。另外，在外缘部51、52的后端51a、52a，横缘部53、54分别相连的方式形成，并且，这些横缘部53、54的另一端侧，形成有下缘部55，构成为俯视时为大致四角形的长方形。只要是该形状，则如图I (b)所示，无论是脆性裂纹从焊接接头的上下哪个方向扩展，都能够发挥同样的效果。止裂构件5优选如上述那样，从钢板焊接接头2的焊接线L上的交点5a通过的外缘部51、52，相对于钢板焊接接头2的纵向，以60°以上120°以下的范围的角度Θ倾斜或正交。通过使外缘部51、52相对于钢板焊接接头2的纵向的角度Θ在上述范围，外缘部
51、52相对于钢板焊接接头2倾斜或正交地形成，即使是产生了在钢板焊接接头2中扩展的脆性裂纹的场合，也能够将该裂纹确实地导入止裂构件5中，在止裂构件内部使脆性裂纹的进展有效地停止，防止焊接结构体A产生大规模破坏。止裂构件的外缘部相对于钢板焊接接头的纵向的角度低于60°的场合，存在下述可能性在钢板焊接接头中扩展的脆性裂纹转移到钢板的母材侧，难以进行控制使得将脆性裂纹导入到止裂构件中。因此，在钢板焊接接头中扩展的脆性裂纹沿着止裂焊接接头进行，存在裂纹的扩展难以停止之虞。另外，在直线性地形成与钢板焊接接头交叉的止裂构件的外缘部的场合，当一方的钢板侧相对于钢板焊接接头的纵向的角度大于120°时，另一方的钢板侧的角度就变得低于60°，与上述同样，脆性裂纹不会进入止裂构件而是沿着止裂焊接接头进行，存在裂纹的扩展难以停止之虞。为了将脆性裂纹更确实地导入止裂构件中，外缘部的角度Θ的优选范围为75°以上105°以下，更优选的范围为85°以上95°以下。作为止裂构件5的材质，只要是如上述那样的具有脆性裂纹扩展停止特性Kca =6000N/mmL5以上的特性的钢板，则其化学成分组成、制造方法、组织等不特别限定，可适当采用。通过使用这样的钢板，即使是钢板焊接接头2中产生了裂纹的场合，也能够使该裂纹的扩展在止裂构件内部有效地停止。再者，作为止裂构件，如果使用表示韧性的脆性-延展性断口转变临界温度vTrS2(°C )值更低的、韧性高的钢材，则能够更加提高使裂纹的扩展停止的效果。焊接结构体A中所使用的止裂构件5，沿着上述钢板焊接接头的纵向的高度H(mm)、与钢板焊接接头的纵向交叉的方向上的横向宽度W (mm)、和板厚t (mm)的各个尺寸需要满足下述(I) (3)式所表示的关系。2T ^ H.....(I)3d+50 ^ W.....(2)O. 90T ^ t.....(3)但是,在上述(I) (3)式中，T (mm)表示上述钢板的板厚,d (mm)表示上述钢板焊接接头中的焊缝金属部的宽度。再者，止裂构件的高度H和横向宽度W，以止裂焊接接头的焊缝金属部的中点为基准。另外，外缘部的角度Θ不为90°的场合，止裂构件的高度H，是止裂焊接接头和钢板焊接接头的交叉的地方之间的距离，横向宽度W是与钢板焊接接头垂直的方向的最大宽度。 本发明者们对止裂构件的形状、尺寸进行各种各样的改变，反复实施了焊接结构体的破坏试验。其结果，得到了对防止脆性裂纹在钢板焊接接头和/或钢板母材中长距离地扩展有效果的上述关系。( I)式表示出，对于使裂纹的进展停止的效果，止裂构件5的高度H和钢板I的板厚T存在相关关系。进展开来的裂纹的能量，与钢板板厚T成比例，需要与其能量相应的止裂构件5的高度尺寸H，因此规定了上述(I)式。H的上限值不设定，但在实施时，被自然规定在纳入到焊接接头2的尺寸中的范围。(2)式表示出，对于使裂纹停止的效果，止裂构件5的宽度W和钢板焊接接头中的焊缝金属部的宽度d存在相关关系。在本发明中，使沿钢板焊接接头2扩展开来的脆性裂纹CR进入到止裂构件5中并使其停止。此时，在止裂构件的横向宽度W不充分的场合，有时脆性裂纹在止裂件的后端51a、52a再产生，并沿着与使脆性裂纹扩展的主应力方向垂直、或者具有接近于垂直的角度的横缘部53、54扩展，这已通过大型破坏试验确认过。各种实验的结果发现，脆性裂纹跳跃焊接接头的宽度d程度的距离，至少焊接接头d的3倍的区域具有脆性裂纹跳跃的可能性。另外，解析扩展中的脆性裂纹前端的应力场的结果还发现，在负荷应力为300N/mm2程度的场合，应力高的区域为±25mm程度。于是，将横向宽度W的所需下限值设定为3d+50mm，实施大型破坏试验的结果确认出脆性裂纹不会在止裂件的后端51a、52a再产生，可得到规定的效果。根据以上规定了上述(2)式。再者，W的上限值不设定，但在实施时，自然地规定为纳入到焊接接头2的尺寸中的范围。(3)式表示出对于使裂纹停止的效果，止裂构件5的板厚t和钢板I的板厚T存在相关关系。在止裂构件5的板厚t与钢板I的板厚的O. 90倍相比更小的场合，不能够使进入到止裂构件5的裂纹在止裂构件5的内部停止的可能性变高。这是因为，虽然进展开来的裂纹的能量与板厚T成比例，但是在止裂构件5的脆性裂纹扩展停止特性Kca恰好为6000N/mm15的场合，在止裂构件5的板厚t与钢板I的板厚的O. 90倍相比更小时，在试验了的钢板板厚的范围内，在止裂构件的内部不能够使裂纹停止。通过使止裂构件5的各尺寸值构成上述关系，即使是钢板焊接接头2产生了裂纹的场合，将裂纹的扩展导入到止裂构件5中，并在该止裂构件5内部使裂纹的进展停止，这变得更切实。在止裂构件的各尺寸值的关系不满足上述(I) (3)式所表示的关系的场合，根据钢板焊接接头中产生的裂纹的状态，存在下述危险性裂纹从止裂构件转移，或不能够在止裂构件5内部使裂纹的进展停止。为了使脆性裂纹的扩展在止裂构件内部更确实地停止，在上述(I)式中，Η/T优选为2. 5以上，更优选为3.0以上。而且，止裂构件的高度H为250mm以上，或者优选为300mm以上，进而更优选为400mm以上，横向宽度W为200mm以上，或者优选为250mm以上，进而更优选为300_以上。另外，更优选在焊接结构体A中，表示构成止裂焊接接头6的焊缝金属部的韧性的脆性-延展性断口转变临界温度vTrS3 (°C)和表示钢板I的母材韧性的脆性-延展性断口转变临界温度vTrSl (°C)的关系满足下面的(4)式所表示的关系。vTrS3 ^ vTrSl+20· · · · (4)通过构成止裂焊接接头6的焊缝金属部的韧性(在此，脆性-延展性断口转变临界温度)与钢板I的母材韧性的关系满足上述关系式，即使是钢板焊接接头2中产生了裂纹的场合，也能够将裂纹的扩展方向向止裂构件5内部有效地导入。该场合下，通过降低形成止裂焊接接头6的焊缝金属的韧性，利用抗裂纹控制部4，可有效地得到将在钢板焊接接头2中产生的脆性裂纹的扩展方向确实地向止裂构件5导入的作用。在形成止裂焊接接头的焊缝金属部的韧性与钢板的母材韧性的关系不满足上述关系式的场合，根据在钢板焊接接头中产生的裂纹的状态，存在该裂纹转移到母材侧，得不到由止裂构件带来的裂纹停止效果的可能性，根据钢板的母材特性，存在不能够使脆性裂纹停止的可能性。再者，在本发明涉及的焊接结构体中，止裂构件5的形状，不限定于如图2所示的、外缘部51、52作为直线而形成的例子，只要从止裂构件5与焊接线L的交点5a向各个钢板内部延伸的外缘部51、52，相对于钢板焊接接头2的纵向，为60°以上120°以下的范围内的角度，就能够发挥规定的效果，可以适当采用。另外，在本实施方式中，说明了只采用I个止裂构件5，焊接于钢板I上的构成，但不限于此，例如，也可以将2个以上的止裂构件层叠而使用，可以适当采用。<脆性裂纹的扩展停止的控制>在上述构成的焊接结构体A中，对于钢板焊接接头2中产生了脆性裂纹的场合的、使裂纹的扩展停止的作用，说明如下。如图2所示，在钢板焊接接头2的纵向的一方侧(图2中的纵长方向的上方侧)产生的脆性裂纹CR，朝向钢板焊接接头2中的纵向的另一方侧(图2中的纵长方向的下方侧)开始扩展(参照图2中的双点划线箭头)。此时，在焊接结构体A中，在钢板焊接接头2中以纵向扩展的脆性裂纹，进入到构成抗裂纹控制部4的止裂焊接接头6中，进而，进入到止裂构件5。在此，止裂构件5的脆性裂纹扩展停止特性Kca为eOOON/mm1·5以上，因此能够使进入的裂纹有效地停止。通过上述作用，焊接结构体A，即使是在钢板焊接接头2中产生了脆性裂纹的场合，也能够抑制脆性裂纹在钢板焊接接头2、钢板母材部I中广范围地扩展，因此能够将大 规模破坏的产生防患于未然。
通过将这样的本实施方式的焊接结构体A应用于例如大型船舶、建筑结构物、土木钢结构物等的各种焊接结构物，能够同时地满足焊接结构物的大型化、针对破坏的高的安全性、建造时的焊接的高效率化、钢材的经济性等。要抗裂纹控制部发挥上述的功能的话，优选预测在焊接结构体遭受了破坏能量时存在裂纹产生的可能性的钢板焊接接头，在该焊接接头上设置I处或者多处。在预测到来自两方向的进展的钢板焊接接头中，与外缘部51、52对抗的另一外缘部55，也相对于钢板焊接接头2的纵向设为60°以上120°以下的范围内的角度。<抗裂纹控制部的制作方法>以下，在如上述那样的焊接结构体A中，对于制作的抗裂纹控制部4的方法的一例进行说明。抗裂纹控制部4，在遭受由碰撞、地震等带来的大的破坏能量时可预热到裂纹的产生·扩展的钢板焊接接头的中途，设置至少I处。 为了设置抗裂纹控制部4，形成用于配置止裂构件5的贯通孔3。为了贯通孔的形成，如图6 Ca)所示，有在钢板的阶段，预先切掉成为贯通孔的部分的方法，将钢板在为了焊接而试装配的状态下切槽的方法，或者，在对钢板进行焊接后，形成贯通孔的方法等，采用哪种方法都可以。当然也可以在已有的焊接结构体上形成贯通孔3，来应用本发明。在钢板的焊接前形成贯通孔3的场合下，首先，以在钢板I的坡口面11、12开口的方式，对钢板进行切槽，形成贯通孔3 (3a、3b)。接着，留下成为贯通孔3a、3b的部分，对各钢板I的坡口面11、12进行对接焊接，由此形成钢板焊接接头2。接着，将由脆性裂纹扩展停止特性Kca为eOOON/mm1·5以上的钢材构成的止裂构件5插入到所形成的贯通孔3中。接着，将止裂构件5的外缘部51、52、以及下缘部53，相对于与之对向的、钢板的露出的坡口面，分别进行对接焊接，由此形成止裂焊接接头6。通过这样的步骤，以钢板焊接接头2的焊接线L为中心，在钢板I的各钢板中成为对称地形成由止裂构件5和止裂焊接接头6构成的抗裂纹控制部4。在钢板焊接接头和止裂焊接接头的对接焊接中，对于焊接方法和焊接材料，没有特别限定。可是，为了提高止裂焊接接头6自身的耐断裂韧性，例如，优选作为焊接方法，采用手工电弧焊(SMAW)、二氧化碳气体保护电弧焊(CO2焊接)，另外，使成为焊接材料的焊丝的成分为高Ni。另外，为了尽可能抑制脆性裂纹扩展，进而防止在钢板焊接接头2和止裂焊接接头6中产生新的疲劳裂纹、脆性裂纹的起点，优选采用焊缝金属完全充填各焊接接头，以使得没有焊接缺陷。通过上述步骤，可以制造出如图2所示的、本实施方式的具有抗脆性裂纹扩展性的焊接结构体A。<应用了焊接结构体的船舶结构体的一例>图3的概略图示出应用了上述的焊接结构体A的船舶结构体的一例。如图3所示，船舶结构体70，具备骨料(增强件)71、甲板(水平构件)72、船壳内板(垂直构件)73、船壳外板74而概略构成。另外，图示例的船舶结构体70，在构成船壳内板73的多个钢板I彼此对接焊接而形成的钢板焊接接头(图3中省略图示)的纵向的一部分设置抗裂纹控制部4，由此形成为具有本实施方式的焊接结构体A的结构。
根据上述构成的船舶结构体70，通过应用本实施方式的焊接结构体A的结构，SP使是产生了在钢板焊接接头中扩展的脆性裂纹的场合，也可以通过抗裂纹控制部4有效地控制裂纹的扩展方向。由此，能够使钢板焊接接头中产生的脆性裂纹稳定地停止，可防止在船壳内板73、进而船舶结构体70中产生大规模的破坏。[第2实施方式]以下对于作为本发明的第2实施方式的焊接结构体B，主要参照图4进行详述。再者，在以下的说明中，对于与上述的第I实施方式的焊接结构体A共通的构成，附带相同的标记，并省略其详细的说明。焊接结构体B，是待对接焊接的钢板是通过将多个小钢板对接焊接而形成的情况的例子。S卩，如图4所示，钢板10，是将在钢板焊接接头20的纵向排列的至少2个以上的小 钢板(参照图4中的标记21 24)对接焊接而形成，在将该钢板10、10对接焊接而形成的钢板焊接接头20中设有抗裂纹控制部4。在小钢板21、22之间，通过对接焊接，形成有小钢板焊接接头25、26，在止裂构件5的下缘部55侧形成的止裂焊接接头6，与该小钢板焊接接头25、26接触地设置。因此，在焊接结构体B中，止裂构件5的下缘部55，为沿着小钢板焊接接头25、26的形状的相同的形状。这样，在钢板焊接接头的中途具有与钢板焊接接头交叉的焊接接头25、26，在这一点上，焊接结构体B与上述的第I实施方式的焊接结构体A不同。根据焊接结构体B，与上述的焊接结构体A同样，即使钢板焊接接头20产生了脆性裂纹的场合，也能够通过止裂焊接接头6使该脆性裂纹CR切实地进入到止裂构件5中(参照图4中的双点划线箭头)。并且，进入到止裂构件5的脆性裂纹CR在止裂构件5内确实地停止，因此钢板焊接接头20没有断裂，另外，能够防止焊接结构体B产生大规模的破坏。[第3的实施方式]以下，对于作为本发明的第3的实施方式的焊接结构体C，主要参照图5，与先前的实施方式共通的部分省略，来进行说明。焊接结构体C，也与焊接结构体B同样地，是待对接焊接的钢板通过将多个小钢板对接焊接而形成的情况的例子，如图5所示，钢板10A，是将在钢板焊接接头20A的纵向排列的至少2个以上的小钢板(参照图5中的标记31 34)对接焊接而形成，在将该钢板10A、IOA对接焊接而形成的钢板焊接接头20A中设置有抗裂纹控制部4。在焊接结构体C中，如图所示，将小钢板对接焊接而形成的小钢板焊接接头35、36，为包含在构成抗裂纹控制部4的止裂构件5的下缘部55侧形成的止裂焊接接头的构成。另外，在图示的焊接结构体C中，小钢板焊接接头35、36连接而形成为直线状。根据焊接结构体C，与上述的焊接结构体A、B同样，即使是钢板焊接接头20A产生了脆性裂纹的场合，通过沿着止裂构件5的上缘部51、52形成的止裂焊接接头60，能够使脆性裂纹CR确实地进入止裂构件5 (参照图5中的双点划线箭头)。并且，进入到止裂构件5的脆性裂纹CR，在由脆性裂纹扩展停止特性Kca高的钢材构成的止裂构件5中立即停止，因此能够防止焊接结构体C产生大规模破坏。
另外，焊接结构体C为下述构成表示构成小钢板焊接接头35、36的焊缝金属部的韧性的脆性-延展性断口转变临界温度vTrS4( V )和表示钢板IOA的母材韧性的脆性-延展性断口转变临界温度vTrSl (°C)的关系满足下面(5)式所表示的关系。vTrS4 ^ vTrSl+20· · · (5)由此，例如，即使是脆性裂纹从图5中的下侧的方向在焊接接头20A中扩展的场合，该脆性裂纹在焊接接头35或焊接接头36中扩展，容易进入到止裂构件5，因此能够利用该止裂构件5使脆性裂纹停止。以下例举本发明涉及的具有抗脆性裂纹扩展性的焊接结构体的实施例更具体地说明本发明，但本发明并不限于下述实施例，在适合于前述、后述的主旨的范围 适当加以变更来实施也是可以的，这些变更均包括在本发明的技术的范围内。实施例[焊接结构体的制造]首先，在炼钢工序中，控制钢液的脱氧 脱硫和化学成分，通过连续铸造，制作了下述表I所示的化学成分的铸块。然后，在依据日本海事协会(NK)标准船体用轧制钢材KA32、KA36、KA40的标准的制造条件下，对上述铸块进行再加热并进行热轧制，由此制造了各种板厚的钢板。进而，对该钢板实施各种热处理，并且控制此时的条件，由此进行了适当调整使得母材的脆性裂纹扩展停止特性Kca (N/mm1·5)为各种的值。从制造的钢板适当制取试片的尺寸为500mmX500mmX板厚的ESSO试验(脆性裂纹扩展停止试验)片，评价和确认在-10°C下的Kca特性，并且测定了钢板的脆性-延展性断口转变临界温度vTrSl (0C)0表I中一并示出Kca特性和vTrSl。接着，如图6 (a)、(b)所示，以在钢板I的坡口面11、12开口的方式形成了贯通孔3a、3b。然后，以形成贯通孔3a、3b的各个以焊接线L为中心对称的贯通孔3的方式，将各个的钢板I的坡口面11、12对接焊接，形成钢板焊接接头2，由此将钢板I彼此接合了。接着，将由下述表I所示的化学成分以及表2所示的钢特性和形状的钢板构成的止裂构件5，以贯穿钢板I的方式插入到贯通孔3的内部。然后，将止裂构件5的外缘部51、
52、横缘部53、54以及下缘部55，相对于在钢板I中通过贯通孔3而露出的焊接端进行对接焊接，形成止裂焊接接头6，将止裂构件5和钢板I接合。通过以上的步骤，以钢板焊接接头2的焊接线L为中心，在钢板I的各个中成为对称地形成了由止裂构件5和止裂焊接接头构成的抗裂纹控制部。另外，如图7 (b)、(c)所示，下缘部的位置，从钢板I的下端起，在中心位置为1500mm的地方，配置了止裂构件5。另外，如图6 (c)所示，在止裂构件5的上缘部51、52、横缘部53、54和下缘部55、以及在钢板I的贯通孔3内露出的焊接端，以板厚方向中心为顶点，成为130° (相对于水平线为25° )地实施了坡口加工。另外，止裂构件5的各缘部与在钢板I的贯通孔3内露出的焊接端之间，在上述顶点，作为具有约3mm的根部间隔的状态，进行了焊接处理。再者，上述步骤中的钢板I彼此的对接焊接、以及钢板I与止裂构件5的对接焊接，通过二氧化碳气体保护电弧焊(CO2焊接)进行，并且，作为此时的焊接材料，使用了高Ni成分的焊丝。另外，在各焊接接头的形成位置上，为了防止产生新的裂纹起点，以用焊缝金属完全充填各焊接接头的方式进行了焊接处理。
其后，通过冷却各焊接接头，制造出如图2所示的焊接结构体(本发明例、比较例)。另外，与上述同样，将各钢板和止裂构件接合，由此制造了如图4、5所示的焊接结构体(本发明例、比较例)。[评价试验]对于通过上述步骤制造的焊接结构体，进行了如以下那样的评价试验。首先，准备如图7 (a)所示的试验装置90，并且适当调整通过上述步骤制作的焊接结构体的样品的各个，安装于试验装置90。在此，图7 (b)、(c)中所示的钢板焊接接头2中设置的裂纹产生部即窗框81，是配给楔并施加规定的应力从而用于强制地产生脆性裂纹 的，切口状的尖端部是实施了 O. 2mm宽度的缝加工的尖端部。接着，在与钢板焊接接头2的焊接线L垂直的方向给予262N/mm2以及300N/mm2的拉伸应力，由此使钢板焊接接头2产生脆性裂纹。然后，通过使该脆性裂纹在钢板焊接接头2的焊接线L上扩展，评价了焊接结构体的抗脆性裂纹扩展性。此时的气氛温度设为-10°C。然后，调查到达止裂焊接接头6后的脆性裂纹的扩展方向和停止位置，确认了裂纹的扩展、停止的形态是否相当于与图I的b d对应的以下所示的3个阶段[b] [d]的某一个。[b]…脆性裂纹到达止裂焊接接头后，进入到止裂构件，立即停止(图Ι-b的形态)。[c]…脆性裂纹到达止裂焊接接头后，沿着该止裂焊接接头扩展，接着再次返回到钢板焊接接头，在钢板焊接接头中扩展(图Ι-c的形态)。[d]…脆性裂纹到达止裂焊接接头后，进入到该止裂焊接接头，进而贯穿止裂构件后，原样地在钢板焊接接头中扩展(图ι-d的形态)。本实施例中使用的钢板I的化学成分组成、钢板制造条件和母材的脆性裂纹扩展停止特性Kca (N/mm15)的一览示于表I。另外，将钢板I对接焊接而形成钢板焊接接头2时的焊接条件以及止裂构件5的钢板特性和形状的一览示于表2、4，并且，形成止裂焊接接头6时的焊接条件以及脆性裂纹的扩展的评价结果的一览示于表3、5。
权利要求
1.一种具有抗脆性裂纹扩展性的焊接结构体，是通过将钢板相互对接焊接形成钢板焊接接头而构成的焊接结构体，其特征在于， 在所述钢板焊接接头的至少一个地方设置有抗裂纹控制部，所述抗裂纹控制部使在钢板焊接接头中产生的脆性裂纹的扩展停止， 该抗裂纹控制部，由脆性裂纹扩展停止特性Kca为6000N/mm15以上的钢材构成，具有插入到从所述钢板焊接接头跨越所述钢板而形成的贯通孔中的止裂构件；和将该止裂构件的外缘部和与其对向的钢板母材对接焊接而形成的止裂焊接接头， 所述止裂构件，沿着所述钢板焊接接头的纵向的高度H(mm)、与钢板焊接接头的纵向交叉的方向上的横向宽度W (mm)以及板厚t (mm)的各个尺寸满足下述(I) (3)式所表示的关系，并且，止裂构件的外缘部形成为在所述钢板焊接接头的纵向前后以相对于所述纵向为60°以上120°以下的范围的角度与所述钢板焊接接头交叉， 2T≤ H.....(I) 3. 2d+50≤ W .....(2) 0.90T ≤ t.....(3) 其中，所述(I) (3)式中，T表示所述钢板的板厚(mm)，d表示所述钢板焊接接头中的焊缝金属部的宽度(_)。
2.根据权利要求I所述的具有抗脆性裂纹扩展性的焊接结构体，其特征在于，表示所述止裂焊接接头中的焊缝金属部的韧性的脆性-延展性断口转变临界温度vTrS3 (°C)与表示所述钢板的母材韧性的脆性-延展性断口转变临界温度vTrSl (0C)的关系满足下式所表示的关系vTrS3 ( vTrSl+20。
3.根据权利要求I或2所述的具有抗脆性裂纹扩展性的焊接结构体，其特征在于，所述钢板的板厚为25mm以上150mm以下。
4.根据权利要求I 3的任一项所述的具有抗脆性裂纹扩展性的焊接结构体，其特征在于，所述钢板包括在所述钢板焊接接头的纵向排列的至少2个以上的小钢板，并且，通过将该小钢板相互对接焊接而形成有小钢板焊接接头，所述抗裂纹控制部设置为在从所述焊缝金属部延伸的止裂构件的后端部侧形成的所述止裂焊接接头，与所述小钢板焊接接头接触。
5.根据权利要求I 3的任一项所述的具有抗脆性裂纹扩展性的焊接结构体，其特征在于，所述钢板包括在所述钢板焊接接头的纵向排列的至少2个以上的小钢板，并且，通过将该小钢板相互对接焊接而形成有小钢板焊接接头，所述抗裂纹控制部设置为在从所述焊缝金属部延伸的止裂构件的后端部侧形成的所述止裂焊接接头包含所述小钢板焊接接头，而且，表示构成所述小钢板焊接接头的焊缝金属部的韧性的脆性-延展性断口转变临界温度vTrS4 (°C)与表示所述钢板的母材韧性的脆性-延展性断口转变临界温度vTrSl(°C)的关系满足下式所表示的关系vTrS4 ( vTrSl+20。
全文摘要
在通过将钢板相互对接焊接形成钢板焊接接头而构成的焊接结构体中，在钢板焊接接头的至少一个地方设置抗裂纹控制部，所述抗裂纹控制部使在钢板焊接接头中产生的脆性裂纹的扩展停止，构成抗裂纹控制部的止裂构件的外缘部形成为在所述钢板焊接接头的纵向前后以相对于所述纵向为60°以上120°以下的范围的角度与所述钢板焊接接头交叉，即使是焊接接头中产生了脆性裂纹的场合，也能够抑制脆性裂纹在焊接接头和母材中扩展。
文档编号C22C38/00GK102712063SQ20108006147
公开日2012年10月3日 申请日期2010年7月14日 优先权日2010年7月14日
发明者井上健裕, 大谷润, 桥场裕治, 石川忠 申请人:新日本制铁株式会社