專利名稱：具有抗脆性裂紋擴展性的焊接結構體的制作方法
技術領域：
本發明涉及在焊接接頭產生了脆性裂紋的場合控制、抑制脆性裂紋擴展的具有抗脆性裂紋擴展性的焊接結構體。特別是涉及即使在使用厚鋼板并應用焊接的焊接結構物的焊接接頭中產生了脆性裂紋的場合，也能夠控制、抑制其擴展、提高安全性的具有抗脆性裂紋擴展性的焊接結構體。
背景技術：
近年，在大型集裝箱船、散裝貨輪等的船舶用焊接結構體、建筑結構物、土木鋼結構物所代表的焊接結構體中，要求針對脆性裂紋等的破壞的較高的安全性。特別是集裝箱船，大型化顯著，例如，變得制造出6000TEU以上的大型集裝箱船，船殼外板的鋼板進行了厚壁化以及高強度化，使用了板厚70mm以上、屈服強度390N/mm2級以上的鋼板。在此,所謂TElXTwenty Feet Equivalent Unit),表示換算成長度20英尺的集裝箱后的個數，表示集裝箱船的裝載能力的指標。這樣的大型集裝箱船，為了提高裝載能力和裝卸效率，被設為沒有隔墻、較大地確保上部開口部的結構，特別是需要確保船殼外板、內板的強度，因此使用了如上述那樣的高強度鋼板。建造如上述那樣的焊接結構物時，以建造成本的降低、建造效率提高為目的，廣泛應用了大熱輸入焊接(例如，二氧化碳氣體保護焊)。在應用小的熱輸入量的多層堆焊中，特別是鋼板的板厚越增加，焊接工時越顯著增加，因此要求以直到極限的大熱輸入進行焊接。可是，在鋼板的焊接中應用大熱輸入焊接的場合，焊接熱影響區(HAZ :HeatAFFected Zone)的韌性降低，HAZ的寬度也增大，因此存在對于脆性斷裂的斷裂韌性值降低的傾向。因此，以抑制在焊接接頭中產生脆性裂紋、并且實現脆性裂紋的擴展停止(止裂，arrest)為目的，曾提出了抗脆性斷裂特性優異的TMCP鋼板(Thermo Mechanical Control Process :熱加工控制)。通過使用上述TMCP鋼板，作為對于脆性斷裂產生的阻力值的斷裂韌性值提高，在通常的使用環境中，結構物脆性斷裂的可能性變得極低。可是，在地震、結構物彼此碰撞的事故和災害等時，萬一產生脆性斷裂的話，有可能脆性裂紋沿HAZ擴展從而產生較大的破壞。例如，集裝箱船等所代表的焊接結構體，使用板厚50mm程度的TMCP鋼板等，萬一在焊接接頭中產生脆性裂紋，由于焊接殘余應力，脆性裂紋從焊接區轉向到母材側，因此認為如果確保母材的止裂(arrest)性能，則可在母材中阻止脆性開裂。另外，在超過6000TEU的大型集裝箱船等更大型的焊接結構體中，需要更大的板厚的鋼板，而且，在簡化結構的基礎上，鋼板的厚壁化有效，因此要求使用設計應力高的高強度鋼的厚鋼板。可是，使用了這樣的厚鋼板的場合，根據HAZ的斷裂韌性的程度，脆性裂紋不會轉向到母材，而是沿HAZ繼續擴展，對焊接結構物造成大的破壞。
為了解決上述問題，曾提出了 對對接焊接接頭的一部分實施補焊(對接頭的一部分進行清理，在該部位進行填充焊接)，使沿HAZ擴展的脆性裂紋偏移到母材側的結構的焊接結構體(例如，專利文獻I)。可是，專利文獻I的焊接結構體，在母材的斷裂韌性非常優異的場合較有效，但在母材的斷裂韌性不充分的場合，有可能轉向到母材側的脆性裂紋較長地擴展，作為結構物的強度顯著降低。另外，存在填充焊接區的體積變大，工序時間變長，并且制造成本也增大的問題。另外，曾提出了下述的焊接結構體，在希望使焊接接頭中產生的脆性裂紋的擴展停止的區域，以與焊接線交叉的方式貫通地焊接板狀的止裂(arrester)構件，作為止裂件，使用表面和/或背面的板厚比為2%以上的厚度的表層區域的織構被適當化了的止裂構件(例如，專利文獻2)。·可是，在將專利文獻2中記載的焊接結構體應用于大型建造物的場合、例如，在焊接接頭中擴展了的脆性裂紋，有可能在將止裂構件焊接于鋼板而成的焊接接頭中擴展并進入止裂構件，原樣地在止裂構件的內部擴展后，再次在焊接接頭中擴展。另一方面，在焊接接頭中擴展了的脆性裂紋，在止裂構件和將該止裂構件焊接于鋼板而成的焊接接頭的位置，轉向到母材側的場合，與上述同樣地，當母材的斷裂韌性不充分時，脆性裂紋擴展得較長，也擔心作為焊接結構物的強度顯著降低的問題。現有技術文獻專利文獻I特開2005-131708號公報專利文獻2特開2007-098441號公報
發明內容
本發明是鑒于上述問題而完成的，其目的是提供，即使是在焊接接頭中產生了脆性裂紋的場合，也能夠抑制脆性裂紋在焊接接頭和/或母材中擴展，能夠防止焊接結構體斷裂的、具有抗脆性裂紋擴展性的焊接結構體。本發明者們為了防止在焊接結構體的焊接接頭中產生的脆性裂紋在焊接接頭和/或母材中擴展，對于在焊接接頭的中途設置如專利文獻2那樣的控制脆性裂紋擴展的止裂構件的情況進行了刻苦研究。其結果發現，通過將止裂構件的形狀、材質特性適當化，能夠抑制焊接接頭和母材中的脆性裂紋擴展，防止焊接結構體產生大規模的破壞，從而完成了本發明。即，本發明的要旨涉及請求保護的技術方案所述的以下內容。[I] 一種具有抗脆性裂紋擴展性的焊接結構體，是通過將鋼板相互對接焊接形成鋼板焊接接頭而構成的焊接結構體，其特征在于，在上述鋼板焊接接頭的至少一個地方設置有抗裂紋控制部，所述抗裂紋控制部使在鋼板焊接接頭中產生的脆性裂紋的擴展停止，該抗裂紋控制部，由脆性裂紋擴展停止特性Kca為6000N/mm15以上的鋼材構成，具有插入到從上述鋼板焊接接頭跨越上述鋼板而形成的貫通孔中的止裂構件；和將該止裂構件的外緣部和與其對向的鋼板母材對接焊接而形成的止裂焊接接頭，上述止裂構件，沿著上述鋼板焊接接頭的縱向的高度H(mm)、與鋼板焊接接頭的縱向交叉的方向上的橫向寬度W (mm)以及板厚t (mm)的各個尺寸滿足下述(I) (3)式所表示的關系，并且，止裂構件的外緣部形成為在上述鋼板焊接接頭的縱向前后以相對于上述縱向為60°以上120°以下的范圍的角度與上述鋼板焊接接頭交叉。2T 彡 H.....(I)3. 2d+50 ^ W.....(2)O. 90T ^ t.....(3)其中，上述(I) (3)式中，T表示上述鋼板的板厚(mm)，d表示上述鋼板焊接接頭中的焊縫金屬部的寬度(_)。[2]根據上述[I]所述的具有抗脆性裂紋擴展性的焊接結構體，其特征在于，表示上述止裂焊接接頭中的焊縫金屬部的韌性的脆性-延展性斷口轉變臨界溫度vTrS3 (0C) 與表示上述鋼板的母材韌性的脆性-延展性斷口轉變臨界溫度VTrSl ( V )的關系滿足下式所表示的關系vTrS3 ( vTrSl+20。[3]根據上述[I]或[2]所述的具有抗脆性裂紋擴展性的焊接結構體，其特征在于，上述鋼板的板厚為25mm以上150mm以下。[4]根據上述[I] [3]的任一項所述的具有抗脆性裂紋擴展性的焊接結構體，其特征在于，上述鋼板包括在上述鋼板焊接接頭的縱向排列的至少2個以上的小鋼板，并且，通過將該小鋼板相互對接焊接而形成有小鋼板焊接接頭，上述抗裂紋控制部設置為在從上述焊縫金屬部延伸的止裂構件的后端部側形成的上述止裂焊接接頭，與上述小鋼板焊接接頭接觸。[5]根據上述[I] [3]的任一項所述的具有抗脆性裂紋擴展性的焊接結構體，其特征在于，上述鋼板包括在上述鋼板焊接接頭的縱向排列的至少2個以上的小鋼板，并且，通過將該小鋼板相互對接焊接而形成有小鋼板焊接接頭，上述抗裂紋控制部設置為在從上述焊縫金屬部延伸的止裂構件的后端部側形成的上述止裂焊接接頭包含上述小鋼板焊接接頭，而且，表示構成上述小鋼板焊接接頭的焊縫金屬部的韌性的脆性-延展性斷口轉變臨界溫度vTrS4 ( V )與表示上述鋼板的母材韌性的脆性-延展性斷口轉變臨界溫度vTrSI (°C)的關系滿足下式所表示的關系vTrS4 ( vTrSl+20。再者，本發明中，將包含焊縫金屬部和焊接熱影響區的部分定義為焊接接頭。另夕卜，脆性裂紋擴展停止特性Kca是在該焊接結構體被使用的溫度或者設計溫度下的數值。根據本發明的焊接結構體，在焊接接頭的至少一個地方設有抗裂紋控制部，所述抗裂紋控制部具有止裂構件和在其與母材鋼板之間形成的止裂焊接接頭，因此即使是焊接接頭產生了脆性裂紋的場合，通過抗裂紋控制部，能夠將在焊接接頭中擴展的脆性裂紋轉移到鋼板母材的止裂性能高的部位，或者由抗裂紋控制部阻止，能夠抑制脆性裂紋在焊接接頭和/或母材中擴展。因此能夠以高的生產效率和低成本得到可防止大規模破壞產生的焊接結構體。這樣的本發明涉及的焊接結構體，通過用于以大型船舶為首的、建筑結構物、土木鋼結構物等的各種焊接結構物，焊接結構物的大型化、針對破壞的高的安全性、建造中的焊接的高效率化、鋼材的經濟性等被同時地滿足，因此其產業上的效果不可估量。
圖I是說明本發明的模式圖，a表示在鋼板彼此被焊接而形成的鋼板焊接接頭的一部分中設有由止裂構件和止裂焊接接頭構成的抗裂紋控制部的狀態，b d表示脆性裂紋的擴展狀況。圖2是說明本發明涉及的焊接結構體的一例的模式圖，是表示在鋼板焊接接頭的一部分中設有由止裂構件和止裂焊接接頭構成的抗裂紋控制部的狀態的平面圖。圖3是對于將本發明涉及的焊接結構體應用于船舶用焊接結構體的場合進行說明的概略圖。圖4是說明本發明涉及的焊接結構體的另一例的與圖2同樣的圖。圖5是說明本發明涉及的焊接結構體的又一例的與圖2同樣的圖。圖6是對于在本發明的實施例中使用的焊接接頭試驗體的制作方法進行說明的圖。圖7是對于本發明的實施例中的用于評價抗脆性裂紋擴展性的拉伸試驗方法進行說明的圖。
具體實施例方式以下，對于本發明的具有抗脆性裂紋擴展性的焊接結構體的實施方式，參照附圖來詳細說明。再者，本實施方式是為了更好地理解發明的要旨而詳細說明的，因此只要不特別指定，并不限定本發明。以往，鋼板焊接接頭中產生的脆性裂紋，主要沿鋼板焊接接頭的縱向擴展。因此，存在下述問題鋼板焊接接頭中產生的脆性裂紋成為起點，有可能焊接結構體整體產生較大的破壞。本發明者等發現為了有效地控制上述那樣的脆性裂紋的擴展方向，抑制焊接結構體中裂紋擴展，在上述現有技術中，進一步地將止裂構件的形狀、材質適當化是重要的。對于本發明的基本原理，采用圖I說明。本發明中，在將鋼板1、1對接焊接而形成的鋼板焊接接頭2的中途設置抗裂紋控制部4，從而將鋼板焊接接頭2隔斷。抗裂紋控制部4，由具有高的脆性裂紋擴展停止特性Kca的鋼材構成，包括插入到從上述鋼板焊接接頭跨越上述鋼板而形成的貫通孔3中的止裂構件5、和通過將該止裂構件5相對于鋼板I進行對接焊接而形成的止裂焊接接頭6。通過設置該抗裂紋控制部4，使鋼板焊接接頭2中產生的脆性裂紋的擴展如以下那樣停止。在鋼板焊接接頭2的縱向的一方側產生的脆性裂紋CR，沿著鋼板I和鋼板焊接接頭2的邊界(或者鋼板母材的熱影響區)擴展。到達了止裂焊接接頭6的裂紋CR，進入到止裂焊接接頭6中，接著進入到止裂構件5中，但由于止裂構件由Kca高的鋼材形成，因此能夠在止裂構件5內部使裂紋CR的進展停止。相反地，在止裂構件5的Kca低的場合、止裂構件的高度和板厚等不充分的場合等，如圖Ι-c那樣，裂紋躍過止裂焊接接頭，并再返回到鋼板焊接接頭中，或如圖Ι-d那樣裂紋貫芽止裂構件5。本發明是在這樣的基本原理下，對于阻止脆性裂紋進展的母材鋼板的條件、控制脆性裂紋進展的止裂構件和止裂焊接接頭的條件等進一步研討而完成的，以下對于本發明的實施方式進行詳細說明。、
[第I實施方式]<整體的構成>第I實施方式是，如圖2所示，通過將鋼板I、I對接焊接而形成鋼板焊接接頭2的場合的例子，以下，將應用于該接頭的形態稱為焊接結構體A來說明。在焊接結構體A中，在遭受由碰撞、地震等所致的大的破壞能量時可預想到裂紋產生·擴展的鋼板焊接接頭的至少一個地方，設置有抗裂紋控制部4。抗裂紋控制部4，以貫通鋼板I的方式設置，包括由脆性裂紋擴展停止特性Kca為6000N/mm15以上的鋼材構成的止裂構件5、和通過將該止裂構件5相對于鋼板I進行對接焊接而形成的止裂焊接接頭6。止裂構件5，形成為從與鋼板焊接接頭2的焊接線L相交的交點5a分別朝向鋼 板內部延伸的外緣部50(51、52)，相對于鋼板焊接接頭2的縱向，以60°以上120°以下的范圍的角度傾斜或正交。圖2所示的焊接結構體A中，止裂構件5，通過使外緣部51、52相對于鋼板焊接接頭2的縱向的角度為90°，外緣部51、52相對于鋼板焊接接頭2均正交，形成為俯視時為大致四角形的長方形。< 鋼板 >作為焊接結構體中所使用的鋼板1，可以使用在船舶用焊接結構體、建筑結構物和土木鋼結構物等的領域中具有以往公知的鋼板特性的鋼板。例如，可舉出下述鋼以質量％計，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%的組成為基本，在該組成中，根據所要求的性能，還含有 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% 中的一種或者兩種以上，其余量由Fe和不可避免的雜質構成。特別是作為脆性裂紋擴展停止特性Kca為eOOON/mm1·5以上的鋼板，可優選地使用特開2007-302993號公報、特開2008-248382號公報等所示那樣的組成的厚鋼板。如圖2所示，對焊接結構體A而言，通過將鋼板I、I對接焊接而形成鋼板焊接接頭2。另外，在通過該鋼板焊接接頭2來接合的鋼板I的各鋼板中，以鋼板焊接接頭2的焊接線L為中心，在鋼板I的每一個中成為對稱地設置有用于貫穿地設置細節在后面敘述的止裂構件5的貫通孔3。鋼板I的板厚，優選設為25mm以上150mm以下的范圍。只要鋼板I的板厚在該范圍，就可以確保作為焊接結構體的鋼板強度，并且可以得到優異的抗脆性裂紋擴展性。特別是使用了 40mm以上的鋼板的焊接結構體，沒有用于阻止脆性裂紋擴展的有效手段，在使用了板厚為40mm以上、更優選為50mm以上、且為IOOmm以下的鋼板的焊接結構體中，本發明可更有效果地實施。<止裂構件>止裂構件5，如圖2所示，在通過鋼板焊接接頭2來接合的鋼板I的各鋼板中形成的貫通孔3中，以鋼板焊接接頭2的焊接線L為中心，在鋼板I的每一個中成為對稱地配置。另外，止裂構件5，與止裂焊接接頭6 —同構成抗裂紋控制部4，所述止裂焊接接頭6是通過對在鋼板I中形成的貫通孔3內露出的焊接端進行對接焊接而形成的。通過止裂構件5構成如上述那樣的抗裂紋控制部4，即使是鋼板焊接接頭2中產生了裂紋的場合，在設置于鋼板焊接接頭的中途的抗裂紋控制部的止裂構件5內部，也使裂紋的擴展停止，防止裂紋以貫穿鋼板焊接接頭2的方式擴展，相互焊接了的鋼板I彼此隔斷。止裂構件5，由脆性裂紋擴展停止特性Kca = 6000N/mmL5以上的鋼材構成。另外，圖2所示的例子的止裂構件5，形成為從與焊接線 L的交點5a向各個鋼板內部延伸的外緣部51、52，相對于鋼板焊接接頭2的縱向，以60°以上120°以下的范圍的角度Θ傾斜或正交。另外，圖示例的止裂構件5，通過外緣部51、52相對于鋼板焊接接頭2的縱向的角度設為90°，外緣部51、52相對于鋼板焊接接頭2均正交，直線狀地連接從而形成。另外，在外緣部51、52的后端51a、52a，橫緣部53、54分別相連的方式形成，并且，這些橫緣部53、54的另一端側，形成有下緣部55，構成為俯視時為大致四角形的長方形。只要是該形狀，則如圖I (b)所示，無論是脆性裂紋從焊接接頭的上下哪個方向擴展，都能夠發揮同樣的效果。止裂構件5優選如上述那樣，從鋼板焊接接頭2的焊接線L上的交點5a通過的外緣部51、52，相對于鋼板焊接接頭2的縱向，以60°以上120°以下的范圍的角度Θ傾斜或正交。通過使外緣部51、52相對于鋼板焊接接頭2的縱向的角度Θ在上述范圍，外緣部
51、52相對于鋼板焊接接頭2傾斜或正交地形成，即使是產生了在鋼板焊接接頭2中擴展的脆性裂紋的場合，也能夠將該裂紋確實地導入止裂構件5中，在止裂構件內部使脆性裂紋的進展有效地停止，防止焊接結構體A產生大規模破壞。止裂構件的外緣部相對于鋼板焊接接頭的縱向的角度低于60°的場合，存在下述可能性在鋼板焊接接頭中擴展的脆性裂紋轉移到鋼板的母材側，難以進行控制使得將脆性裂紋導入到止裂構件中。因此，在鋼板焊接接頭中擴展的脆性裂紋沿著止裂焊接接頭進行，存在裂紋的擴展難以停止之虞。另外，在直線性地形成與鋼板焊接接頭交叉的止裂構件的外緣部的場合，當一方的鋼板側相對于鋼板焊接接頭的縱向的角度大于120°時，另一方的鋼板側的角度就變得低于60°，與上述同樣，脆性裂紋不會進入止裂構件而是沿著止裂焊接接頭進行，存在裂紋的擴展難以停止之虞。為了將脆性裂紋更確實地導入止裂構件中，外緣部的角度Θ的優選范圍為75°以上105°以下，更優選的范圍為85°以上95°以下。作為止裂構件5的材質，只要是如上述那樣的具有脆性裂紋擴展停止特性Kca =6000N/mmL5以上的特性的鋼板，則其化學成分組成、制造方法、組織等不特別限定，可適當采用。通過使用這樣的鋼板，即使是鋼板焊接接頭2中產生了裂紋的場合，也能夠使該裂紋的擴展在止裂構件內部有效地停止。再者，作為止裂構件，如果使用表示韌性的脆性-延展性斷口轉變臨界溫度vTrS2(°C )值更低的、韌性高的鋼材，則能夠更加提高使裂紋的擴展停止的效果。焊接結構體A中所使用的止裂構件5，沿著上述鋼板焊接接頭的縱向的高度H(mm)、與鋼板焊接接頭的縱向交叉的方向上的橫向寬度W (mm)、和板厚t (mm)的各個尺寸需要滿足下述(I) (3)式所表示的關系。2T ^ H.....(I)3d+50 ^ W.....(2)O. 90T ^ t.....(3)但是,在上述(I) (3)式中，T (mm)表示上述鋼板的板厚,d (mm)表示上述鋼板焊接接頭中的焊縫金屬部的寬度。再者，止裂構件的高度H和橫向寬度W，以止裂焊接接頭的焊縫金屬部的中點為基準。另外，外緣部的角度Θ不為90°的場合，止裂構件的高度H，是止裂焊接接頭和鋼板焊接接頭的交叉的地方之間的距離，橫向寬度W是與鋼板焊接接頭垂直的方向的最大寬度。 本發明者們對止裂構件的形狀、尺寸進行各種各樣的改變，反復實施了焊接結構體的破壞試驗。其結果，得到了對防止脆性裂紋在鋼板焊接接頭和/或鋼板母材中長距離地擴展有效果的上述關系。( I)式表示出，對于使裂紋的進展停止的效果，止裂構件5的高度H和鋼板I的板厚T存在相關關系。進展開來的裂紋的能量，與鋼板板厚T成比例，需要與其能量相應的止裂構件5的高度尺寸H，因此規定了上述(I)式。H的上限值不設定，但在實施時，被自然規定在納入到焊接接頭2的尺寸中的范圍。(2)式表示出，對于使裂紋停止的效果，止裂構件5的寬度W和鋼板焊接接頭中的焊縫金屬部的寬度d存在相關關系。在本發明中，使沿鋼板焊接接頭2擴展開來的脆性裂紋CR進入到止裂構件5中并使其停止。此時，在止裂構件的橫向寬度W不充分的場合，有時脆性裂紋在止裂件的后端51a、52a再產生，并沿著與使脆性裂紋擴展的主應力方向垂直、或者具有接近于垂直的角度的橫緣部53、54擴展，這已通過大型破壞試驗確認過。各種實驗的結果發現，脆性裂紋跳躍焊接接頭的寬度d程度的距離，至少焊接接頭d的3倍的區域具有脆性裂紋跳躍的可能性。另外，解析擴展中的脆性裂紋前端的應力場的結果還發現，在負荷應力為300N/mm2程度的場合，應力高的區域為±25mm程度。于是，將橫向寬度W的所需下限值設定為3d+50mm，實施大型破壞試驗的結果確認出脆性裂紋不會在止裂件的后端51a、52a再產生，可得到規定的效果。根據以上規定了上述(2)式。再者，W的上限值不設定，但在實施時，自然地規定為納入到焊接接頭2的尺寸中的范圍。(3)式表示出對于使裂紋停止的效果，止裂構件5的板厚t和鋼板I的板厚T存在相關關系。在止裂構件5的板厚t與鋼板I的板厚的O. 90倍相比更小的場合，不能夠使進入到止裂構件5的裂紋在止裂構件5的內部停止的可能性變高。這是因為，雖然進展開來的裂紋的能量與板厚T成比例，但是在止裂構件5的脆性裂紋擴展停止特性Kca恰好為6000N/mm15的場合，在止裂構件5的板厚t與鋼板I的板厚的O. 90倍相比更小時，在試驗了的鋼板板厚的范圍內，在止裂構件的內部不能夠使裂紋停止。通過使止裂構件5的各尺寸值構成上述關系，即使是鋼板焊接接頭2產生了裂紋的場合，將裂紋的擴展導入到止裂構件5中，并在該止裂構件5內部使裂紋的進展停止，這變得更切實。在止裂構件的各尺寸值的關系不滿足上述(I) (3)式所表示的關系的場合，根據鋼板焊接接頭中產生的裂紋的狀態，存在下述危險性裂紋從止裂構件轉移，或不能夠在止裂構件5內部使裂紋的進展停止。為了使脆性裂紋的擴展在止裂構件內部更確實地停止，在上述(I)式中，Η/T優選為2. 5以上，更優選為3.0以上。而且，止裂構件的高度H為250mm以上，或者優選為300mm以上，進而更優選為400mm以上，橫向寬度W為200mm以上，或者優選為250mm以上，進而更優選為300_以上。另外，更優選在焊接結構體A中，表示構成止裂焊接接頭6的焊縫金屬部的韌性的脆性-延展性斷口轉變臨界溫度vTrS3 (°C)和表示鋼板I的母材韌性的脆性-延展性斷口轉變臨界溫度vTrSl (°C)的關系滿足下面的(4)式所表示的關系。vTrS3 ^ vTrSl+20· · · · (4)通過構成止裂焊接接頭6的焊縫金屬部的韌性(在此，脆性-延展性斷口轉變臨界溫度)與鋼板I的母材韌性的關系滿足上述關系式，即使是鋼板焊接接頭2中產生了裂紋的場合，也能夠將裂紋的擴展方向向止裂構件5內部有效地導入。該場合下，通過降低形成止裂焊接接頭6的焊縫金屬的韌性，利用抗裂紋控制部4，可有效地得到將在鋼板焊接接頭2中產生的脆性裂紋的擴展方向確實地向止裂構件5導入的作用。在形成止裂焊接接頭的焊縫金屬部的韌性與鋼板的母材韌性的關系不滿足上述關系式的場合，根據在鋼板焊接接頭中產生的裂紋的狀態，存在該裂紋轉移到母材側，得不到由止裂構件帶來的裂紋停止效果的可能性，根據鋼板的母材特性，存在不能夠使脆性裂紋停止的可能性。再者，在本發明涉及的焊接結構體中，止裂構件5的形狀，不限定于如圖2所示的、外緣部51、52作為直線而形成的例子，只要從止裂構件5與焊接線L的交點5a向各個鋼板內部延伸的外緣部51、52，相對于鋼板焊接接頭2的縱向，為60°以上120°以下的范圍內的角度，就能夠發揮規定的效果，可以適當采用。另外，在本實施方式中，說明了只采用I個止裂構件5，焊接于鋼板I上的構成，但不限于此，例如，也可以將2個以上的止裂構件層疊而使用，可以適當采用。<脆性裂紋的擴展停止的控制>在上述構成的焊接結構體A中，對于鋼板焊接接頭2中產生了脆性裂紋的場合的、使裂紋的擴展停止的作用，說明如下。如圖2所示，在鋼板焊接接頭2的縱向的一方側(圖2中的縱長方向的上方側)產生的脆性裂紋CR，朝向鋼板焊接接頭2中的縱向的另一方側(圖2中的縱長方向的下方側)開始擴展(參照圖2中的雙點劃線箭頭)。此時，在焊接結構體A中，在鋼板焊接接頭2中以縱向擴展的脆性裂紋，進入到構成抗裂紋控制部4的止裂焊接接頭6中，進而，進入到止裂構件5。在此，止裂構件5的脆性裂紋擴展停止特性Kca為eOOON/mm1·5以上，因此能夠使進入的裂紋有效地停止。通過上述作用，焊接結構體A，即使是在鋼板焊接接頭2中產生了脆性裂紋的場合，也能夠抑制脆性裂紋在鋼板焊接接頭2、鋼板母材部I中廣范圍地擴展，因此能夠將大 規模破壞的產生防患于未然。
通過將這樣的本實施方式的焊接結構體A應用于例如大型船舶、建筑結構物、土木鋼結構物等的各種焊接結構物，能夠同時地滿足焊接結構物的大型化、針對破壞的高的安全性、建造時的焊接的高效率化、鋼材的經濟性等。要抗裂紋控制部發揮上述的功能的話，優選預測在焊接結構體遭受了破壞能量時存在裂紋產生的可能性的鋼板焊接接頭，在該焊接接頭上設置I處或者多處。在預測到來自兩方向的進展的鋼板焊接接頭中，與外緣部51、52對抗的另一外緣部55，也相對于鋼板焊接接頭2的縱向設為60°以上120°以下的范圍內的角度。<抗裂紋控制部的制作方法>以下，在如上述那樣的焊接結構體A中，對于制作的抗裂紋控制部4的方法的一例進行說明。抗裂紋控制部4，在遭受由碰撞、地震等帶來的大的破壞能量時可預熱到裂紋的產生·擴展的鋼板焊接接頭的中途，設置至少I處。 為了設置抗裂紋控制部4，形成用于配置止裂構件5的貫通孔3。為了貫通孔的形成，如圖6 Ca)所示，有在鋼板的階段，預先切掉成為貫通孔的部分的方法，將鋼板在為了焊接而試裝配的狀態下切槽的方法，或者，在對鋼板進行焊接后，形成貫通孔的方法等，采用哪種方法都可以。當然也可以在已有的焊接結構體上形成貫通孔3，來應用本發明。在鋼板的焊接前形成貫通孔3的場合下，首先，以在鋼板I的坡口面11、12開口的方式，對鋼板進行切槽，形成貫通孔3 (3a、3b)。接著，留下成為貫通孔3a、3b的部分，對各鋼板I的坡口面11、12進行對接焊接，由此形成鋼板焊接接頭2。接著，將由脆性裂紋擴展停止特性Kca為eOOON/mm1·5以上的鋼材構成的止裂構件5插入到所形成的貫通孔3中。接著，將止裂構件5的外緣部51、52、以及下緣部53，相對于與之對向的、鋼板的露出的坡口面，分別進行對接焊接，由此形成止裂焊接接頭6。通過這樣的步驟，以鋼板焊接接頭2的焊接線L為中心，在鋼板I的各鋼板中成為對稱地形成由止裂構件5和止裂焊接接頭6構成的抗裂紋控制部4。在鋼板焊接接頭和止裂焊接接頭的對接焊接中，對于焊接方法和焊接材料，沒有特別限定。可是，為了提高止裂焊接接頭6自身的耐斷裂韌性，例如，優選作為焊接方法，采用手工電弧焊(SMAW)、二氧化碳氣體保護電弧焊(CO2焊接)，另外，使成為焊接材料的焊絲的成分為高Ni。另外，為了盡可能抑制脆性裂紋擴展，進而防止在鋼板焊接接頭2和止裂焊接接頭6中產生新的疲勞裂紋、脆性裂紋的起點，優選采用焊縫金屬完全充填各焊接接頭，以使得沒有焊接缺陷。通過上述步驟，可以制造出如圖2所示的、本實施方式的具有抗脆性裂紋擴展性的焊接結構體A。<應用了焊接結構體的船舶結構體的一例>圖3的概略圖示出應用了上述的焊接結構體A的船舶結構體的一例。如圖3所示，船舶結構體70，具備骨料(增強件)71、甲板(水平構件)72、船殼內板(垂直構件)73、船殼外板74而概略構成。另外，圖示例的船舶結構體70，在構成船殼內板73的多個鋼板I彼此對接焊接而形成的鋼板焊接接頭(圖3中省略圖示)的縱向的一部分設置抗裂紋控制部4，由此形成為具有本實施方式的焊接結構體A的結構。
根據上述構成的船舶結構體70，通過應用本實施方式的焊接結構體A的結構，SP使是產生了在鋼板焊接接頭中擴展的脆性裂紋的場合，也可以通過抗裂紋控制部4有效地控制裂紋的擴展方向。由此，能夠使鋼板焊接接頭中產生的脆性裂紋穩定地停止，可防止在船殼內板73、進而船舶結構體70中產生大規模的破壞。[第2實施方式]以下對于作為本發明的第2實施方式的焊接結構體B，主要參照圖4進行詳述。再者，在以下的說明中，對于與上述的第I實施方式的焊接結構體A共通的構成，附帶相同的標記，并省略其詳細的說明。焊接結構體B，是待對接焊接的鋼板是通過將多個小鋼板對接焊接而形成的情況的例子。S卩，如圖4所示，鋼板10，是將在鋼板焊接接頭20的縱向排列的至少2個以上的小 鋼板(參照圖4中的標記21 24)對接焊接而形成，在將該鋼板10、10對接焊接而形成的鋼板焊接接頭20中設有抗裂紋控制部4。在小鋼板21、22之間，通過對接焊接，形成有小鋼板焊接接頭25、26，在止裂構件5的下緣部55側形成的止裂焊接接頭6，與該小鋼板焊接接頭25、26接觸地設置。因此，在焊接結構體B中，止裂構件5的下緣部55，為沿著小鋼板焊接接頭25、26的形狀的相同的形狀。這樣，在鋼板焊接接頭的中途具有與鋼板焊接接頭交叉的焊接接頭25、26，在這一點上，焊接結構體B與上述的第I實施方式的焊接結構體A不同。根據焊接結構體B，與上述的焊接結構體A同樣，即使鋼板焊接接頭20產生了脆性裂紋的場合，也能夠通過止裂焊接接頭6使該脆性裂紋CR切實地進入到止裂構件5中(參照圖4中的雙點劃線箭頭)。并且，進入到止裂構件5的脆性裂紋CR在止裂構件5內確實地停止，因此鋼板焊接接頭20沒有斷裂，另外，能夠防止焊接結構體B產生大規模的破壞。[第3的實施方式]以下，對于作為本發明的第3的實施方式的焊接結構體C，主要參照圖5，與先前的實施方式共通的部分省略，來進行說明。焊接結構體C，也與焊接結構體B同樣地，是待對接焊接的鋼板通過將多個小鋼板對接焊接而形成的情況的例子，如圖5所示，鋼板10A，是將在鋼板焊接接頭20A的縱向排列的至少2個以上的小鋼板(參照圖5中的標記31 34)對接焊接而形成，在將該鋼板10A、IOA對接焊接而形成的鋼板焊接接頭20A中設置有抗裂紋控制部4。在焊接結構體C中，如圖所示，將小鋼板對接焊接而形成的小鋼板焊接接頭35、36，為包含在構成抗裂紋控制部4的止裂構件5的下緣部55側形成的止裂焊接接頭的構成。另外，在圖示的焊接結構體C中，小鋼板焊接接頭35、36連接而形成為直線狀。根據焊接結構體C，與上述的焊接結構體A、B同樣，即使是鋼板焊接接頭20A產生了脆性裂紋的場合，通過沿著止裂構件5的上緣部51、52形成的止裂焊接接頭60，能夠使脆性裂紋CR確實地進入止裂構件5 (參照圖5中的雙點劃線箭頭)。并且，進入到止裂構件5的脆性裂紋CR，在由脆性裂紋擴展停止特性Kca高的鋼材構成的止裂構件5中立即停止，因此能夠防止焊接結構體C產生大規模破壞。
另外，焊接結構體C為下述構成表示構成小鋼板焊接接頭35、36的焊縫金屬部的韌性的脆性-延展性斷口轉變臨界溫度vTrS4( V )和表示鋼板IOA的母材韌性的脆性-延展性斷口轉變臨界溫度vTrSl (°C)的關系滿足下面(5)式所表示的關系。vTrS4 ^ vTrSl+20· · · (5)由此，例如，即使是脆性裂紋從圖5中的下側的方向在焊接接頭20A中擴展的場合，該脆性裂紋在焊接接頭35或焊接接頭36中擴展，容易進入到止裂構件5，因此能夠利用該止裂構件5使脆性裂紋停止。以下例舉本發明涉及的具有抗脆性裂紋擴展性的焊接結構體的實施例更具體地說明本發明，但本發明并不限于下述實施例，在適合于前述、后述的主旨的范圍 適當加以變更來實施也是可以的，這些變更均包括在本發明的技術的范圍內。實施例[焊接結構體的制造]首先，在煉鋼工序中，控制鋼液的脫氧 脫硫和化學成分，通過連續鑄造，制作了下述表I所示的化學成分的鑄塊。然后，在依據日本海事協會(NK)標準船體用軋制鋼材KA32、KA36、KA40的標準的制造條件下，對上述鑄塊進行再加熱并進行熱軋制，由此制造了各種板厚的鋼板。進而，對該鋼板實施各種熱處理，并且控制此時的條件，由此進行了適當調整使得母材的脆性裂紋擴展停止特性Kca (N/mm1·5)為各種的值。從制造的鋼板適當制取試片的尺寸為500mmX500mmX板厚的ESSO試驗(脆性裂紋擴展停止試驗)片，評價和確認在-10°C下的Kca特性，并且測定了鋼板的脆性-延展性斷口轉變臨界溫度vTrSl (0C)0表I中一并示出Kca特性和vTrSl。接著，如圖6 (a)、(b)所示，以在鋼板I的坡口面11、12開口的方式形成了貫通孔3a、3b。然后，以形成貫通孔3a、3b的各個以焊接線L為中心對稱的貫通孔3的方式，將各個的鋼板I的坡口面11、12對接焊接，形成鋼板焊接接頭2，由此將鋼板I彼此接合了。接著，將由下述表I所示的化學成分以及表2所示的鋼特性和形狀的鋼板構成的止裂構件5，以貫穿鋼板I的方式插入到貫通孔3的內部。然后，將止裂構件5的外緣部51、
52、橫緣部53、54以及下緣部55，相對于在鋼板I中通過貫通孔3而露出的焊接端進行對接焊接，形成止裂焊接接頭6，將止裂構件5和鋼板I接合。通過以上的步驟，以鋼板焊接接頭2的焊接線L為中心，在鋼板I的各個中成為對稱地形成了由止裂構件5和止裂焊接接頭構成的抗裂紋控制部。另外，如圖7 (b)、(c)所示，下緣部的位置，從鋼板I的下端起，在中心位置為1500mm的地方，配置了止裂構件5。另外，如圖6 (c)所示，在止裂構件5的上緣部51、52、橫緣部53、54和下緣部55、以及在鋼板I的貫通孔3內露出的焊接端，以板厚方向中心為頂點，成為130° (相對于水平線為25° )地實施了坡口加工。另外，止裂構件5的各緣部與在鋼板I的貫通孔3內露出的焊接端之間，在上述頂點，作為具有約3mm的根部間隔的狀態，進行了焊接處理。再者，上述步驟中的鋼板I彼此的對接焊接、以及鋼板I與止裂構件5的對接焊接，通過二氧化碳氣體保護電弧焊(CO2焊接)進行，并且，作為此時的焊接材料，使用了高Ni成分的焊絲。另外，在各焊接接頭的形成位置上，為了防止產生新的裂紋起點，以用焊縫金屬完全充填各焊接接頭的方式進行了焊接處理。
其后，通過冷卻各焊接接頭，制造出如圖2所示的焊接結構體(本發明例、比較例)。另外，與上述同樣，將各鋼板和止裂構件接合，由此制造了如圖4、5所示的焊接結構體(本發明例、比較例)。[評價試驗]對于通過上述步驟制造的焊接結構體，進行了如以下那樣的評價試驗。首先，準備如圖7 (a)所示的試驗裝置90，并且適當調整通過上述步驟制作的焊接結構體的樣品的各個，安裝于試驗裝置90。在此，圖7 (b)、(c)中所示的鋼板焊接接頭2中設置的裂紋產生部即窗框81，是配給楔并施加規定的應力從而用于強制地產生脆性裂紋 的，切口狀的尖端部是實施了 O. 2mm寬度的縫加工的尖端部。接著，在與鋼板焊接接頭2的焊接線L垂直的方向給予262N/mm2以及300N/mm2的拉伸應力，由此使鋼板焊接接頭2產生脆性裂紋。然后，通過使該脆性裂紋在鋼板焊接接頭2的焊接線L上擴展，評價了焊接結構體的抗脆性裂紋擴展性。此時的氣氛溫度設為-10°C。然后，調查到達止裂焊接接頭6后的脆性裂紋的擴展方向和停止位置，確認了裂紋的擴展、停止的形態是否相當于與圖I的b d對應的以下所示的3個階段[b] [d]的某一個。[b]…脆性裂紋到達止裂焊接接頭后，進入到止裂構件，立即停止(圖Ι-b的形態)。[c]…脆性裂紋到達止裂焊接接頭后，沿著該止裂焊接接頭擴展，接著再次返回到鋼板焊接接頭，在鋼板焊接接頭中擴展(圖Ι-c的形態)。[d]…脆性裂紋到達止裂焊接接頭后，進入到該止裂焊接接頭，進而貫穿止裂構件后，原樣地在鋼板焊接接頭中擴展(圖ι-d的形態)。本實施例中使用的鋼板I的化學成分組成、鋼板制造條件和母材的脆性裂紋擴展停止特性Kca (N/mm15)的一覽示于表I。另外，將鋼板I對接焊接而形成鋼板焊接接頭2時的焊接條件以及止裂構件5的鋼板特性和形狀的一覽示于表2、4，并且，形成止裂焊接接頭6時的焊接條件以及脆性裂紋的擴展的評價結果的一覽示于表3、5。
權利要求
1.一種具有抗脆性裂紋擴展性的焊接結構體，是通過將鋼板相互對接焊接形成鋼板焊接接頭而構成的焊接結構體，其特征在于， 在所述鋼板焊接接頭的至少一個地方設置有抗裂紋控制部，所述抗裂紋控制部使在鋼板焊接接頭中產生的脆性裂紋的擴展停止， 該抗裂紋控制部，由脆性裂紋擴展停止特性Kca為6000N/mm15以上的鋼材構成，具有插入到從所述鋼板焊接接頭跨越所述鋼板而形成的貫通孔中的止裂構件；和將該止裂構件的外緣部和與其對向的鋼板母材對接焊接而形成的止裂焊接接頭， 所述止裂構件，沿著所述鋼板焊接接頭的縱向的高度H(mm)、與鋼板焊接接頭的縱向交叉的方向上的橫向寬度W (mm)以及板厚t (mm)的各個尺寸滿足下述(I) (3)式所表示的關系，并且，止裂構件的外緣部形成為在所述鋼板焊接接頭的縱向前后以相對于所述縱向為60°以上120°以下的范圍的角度與所述鋼板焊接接頭交叉， 2T≤ H.....(I) 3. 2d+50≤ W .....(2) 0.90T ≤ t.....(3) 其中，所述(I) (3)式中，T表示所述鋼板的板厚(mm)，d表示所述鋼板焊接接頭中的焊縫金屬部的寬度(_)。
2.根據權利要求I所述的具有抗脆性裂紋擴展性的焊接結構體，其特征在于，表示所述止裂焊接接頭中的焊縫金屬部的韌性的脆性-延展性斷口轉變臨界溫度vTrS3 (°C)與表示所述鋼板的母材韌性的脆性-延展性斷口轉變臨界溫度vTrSl (0C)的關系滿足下式所表示的關系vTrS3 ( vTrSl+20。
3.根據權利要求I或2所述的具有抗脆性裂紋擴展性的焊接結構體，其特征在于，所述鋼板的板厚為25mm以上150mm以下。
4.根據權利要求I 3的任一項所述的具有抗脆性裂紋擴展性的焊接結構體，其特征在于，所述鋼板包括在所述鋼板焊接接頭的縱向排列的至少2個以上的小鋼板，并且，通過將該小鋼板相互對接焊接而形成有小鋼板焊接接頭，所述抗裂紋控制部設置為在從所述焊縫金屬部延伸的止裂構件的后端部側形成的所述止裂焊接接頭，與所述小鋼板焊接接頭接觸。
5.根據權利要求I 3的任一項所述的具有抗脆性裂紋擴展性的焊接結構體，其特征在于，所述鋼板包括在所述鋼板焊接接頭的縱向排列的至少2個以上的小鋼板，并且，通過將該小鋼板相互對接焊接而形成有小鋼板焊接接頭，所述抗裂紋控制部設置為在從所述焊縫金屬部延伸的止裂構件的后端部側形成的所述止裂焊接接頭包含所述小鋼板焊接接頭，而且，表示構成所述小鋼板焊接接頭的焊縫金屬部的韌性的脆性-延展性斷口轉變臨界溫度vTrS4 (°C)與表示所述鋼板的母材韌性的脆性-延展性斷口轉變臨界溫度vTrSl(°C)的關系滿足下式所表示的關系vTrS4 ( vTrSl+20。
全文摘要
在通過將鋼板相互對接焊接形成鋼板焊接接頭而構成的焊接結構體中，在鋼板焊接接頭的至少一個地方設置抗裂紋控制部，所述抗裂紋控制部使在鋼板焊接接頭中產生的脆性裂紋的擴展停止，構成抗裂紋控制部的止裂構件的外緣部形成為在所述鋼板焊接接頭的縱向前后以相對于所述縱向為60°以上120°以下的范圍的角度與所述鋼板焊接接頭交叉，即使是焊接接頭中產生了脆性裂紋的場合，也能夠抑制脆性裂紋在焊接接頭和母材中擴展。
文檔編號C22C38/00GK102712063SQ20108006147
公開日2012年10月3日 申請日期2010年7月14日 優先權日2010年7月14日
發明者井上健裕, 大谷潤, 橋場裕治, 石川忠 申請人:新日本制鐵株式會社