JPH0790486A - 溶接継手疲労特性の優れた構造用鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 溶接時に発生する残留応力を抑えて、継手疲
労強度の高い構造用鋼を提供する。 【構成】 （１）重量比でＣ：０．００１〜０．０１０
％、０．００５≦Ｓｉ≦０．０５％、Ｍｎ：０．０５〜
１．００％、Ｐ≦０．０２０％、Ｓ≦０．０１０％、Ｎ
ｉ：０．３〜２．０％、Ｃｕ：０．５〜２．０％、Ａ
ｌ：０．０１０〜０．０５０％、Ｂ：０．０００１〜
０．００１０％を含有し、かつＮｉ／Ｃｕ≧０．４の組
成を有する構造用鋼で、溶接残留応力に関係する成分の
パラメータを一定値以下にすることにより、疲労強度を
向上できる。 【効果】 疲労破壊が問題となる鋼構造物での使用に際
し、設計・施工で特別な配慮を必要とせず高い疲労強度
を得ることが可能であり、工業的にその効果は大きい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は溶接継手疲労特性の優れ
た鋼材にかかわるものであり、さらに詳しくは溶接時に
発生する残留応力を抑えた、溶接継手の疲労強度を高め
た構造用鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に構造用鋼板母材の疲労強度は母材
強度の増加につれて増加するが、溶接された継手の疲労
強度（以下、継手疲労強度という）は母材強度を上昇さ
せても向上しないことが通説となっていた。従って構造
用高張力鋼の継手疲労強度は、低強度鋼のそれとほぼ同
じであり、疲労破壊が問題となる構造物では、高張力鋼
を用いても設計強度を上げることができず、止端処理と
呼ばれる改善処理により、高張力鋼の継手疲労強度を確
保する方法が研究されてきた。例えば、グラインダーに
よって止端を研削して止端半径を大きくする方法、ＴＩ
Ｇ溶接およびプラズマ処理によって止端部を再溶融して
上端形状を滑らかにする方法（例えば特公昭５４−３０
３８６号）、ショットピーニングによって止端部に圧縮
残留応力を発生させる方法などが代表的な止端処理方法
である。

【０００３】構造用鋼に限定しなければ、冷延鋼板など
薄鋼板のスポット溶接継手疲労強度向上を目的とした発
明はいくつかあり、特公平３−５６３０１号、特開昭６
３−３１７６２５号、特開平３−１９９３４２号などが
提案されている。このうち、特公平３−５６３０１号で
は、スポット溶接継手のナゲット近傍の硬度分布を定め
るため、Ｔｉ又はＮｂとＢ添加、並びに未再結晶組織の
面積率を制限している。特開昭６３−３１７６２５号お
よび特開平３−１９９３４２号は、いずれも鋼板の化学
成分を規定したものであり、特開昭６３−３１７６２５
号はＴｉ，Ｎｂ，Ｂの三者共存を、特開平３−１９９３
４２号はＴｉ，Ｖ，Ｚｒなどの成分添加を提案してい
る。又溶接継手に限定しなければ、鋼板母材の疲労強度
の向上を目的としたものはいくつかあり、特に本発明の
ようにＣｕ元素を含有した鋼板に関するものでは、特公
平１−３２３０１号、特開昭６０−１５５６４２号、特
開平３−８２７０８号などが提案されている。

【０００４】又、溶接残留応力に関連した報告はいくつ
かあり、相変態の超塑性現象に着目して、低合金鋼およ
びステンレス鋼の溶接残留応力の緩和や溶接変形低減を
検討した報告が、溶接学会全国大会講演概要第３７集
ｐ．３１４−３１５、第３８集ｐ．７８−７９、第３９
集ｐ．３３８−３３９、ｐ．３４０−３４１に見られ
る。又、溶接残留応力を低減させる溶接方法としては、
マルテンサイト系ステンレス鋼溶接棒による変態膨張効
果を用いた特開昭６０−６８１７５号、熱膨張率の小さ
い溶接材料（ステンレス用）を用いた特開昭５７−１７
３７７号などが提案されている。

【０００５】さらにスポット溶接継手の強度向上を目的
として、特開平２−１１５３５２号によりＣｕ，Ｐ，Ｎ
などの成分を限定し、特定の位置（ナゲット外周から板
厚と同じ距離離れた熱影響部（以下ＨＡＺという））で
の硬さが、母材硬さおよびナゲット部硬さをもとに、あ
る関係式より求められる値以上であることを満足するこ
とを特徴とする鋼板が提案されている。

【０００６】これらの状況に対し本発明者らは、構造用
鋼の継手疲労強度向上を検討した結果、特願平４−２９
４５４４号においてＣｕ添加の構造用鋼を開発した。す
なわち、低炭素鋼とすることにより溶接止端部の残留応
力が低減されるとともに、ＨＡＺでのＣｕ元素の微細析
出によって軟化域の発生が抑えられることを知見したも
のであった。さらに、特願平５−０１４２３３号におい
て、ＨＡＺの硬度上昇を抑えるため炭素当量Ｃｅｑを規
定した構造用鋼を提案した。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、その後さらに
継手疲労強度向上に対する要求に対して種々検討した結
果、特願平４−２９４５４４号および特願平５−０１４
２３３号において、低炭素にするほど鋼板の強度確保の
ため逆にＭｎ，Ｃｕが増加することになり、かつ連続鋳
造時の表面割れ防止のためＮｉを適量以上添加すると、
溶接熱の冷却過程においてＨＡＺの強度（高温強度）が
高くなり、室温に冷却された時の溶接残留応力が上昇し
てしまい、継手疲労強度が低下するという問題が生じる
ことがわかった。

【０００８】一方、従来技術のうち薄鋼板に関する特公
平３−５６３０１号は、Ｔｉ又はＮｂ添加に加えて未再
結晶組織の面積率を規定しており製造コストが高くなる
とともに、特に加熱・圧延条件の調整が煩雑になる。特
開昭６３−３１７６２５号はＴｉ，Ｎｂ，Ｂの同時添加
を必須としており、又特開平３−１９９３４２号はＯが
一定値以下でかつＡｌ／Ｎ比を一定値以上にすることを
必須としており、製鋼工程での多大なコスト上昇になる
という問題がある。

【０００９】又母材疲労強度向上を目的とした特公平１
−３２３０１号は耐食性の向上効果も兼ねているため、
Ｍｏ又はＣｏ，Ｎｂ又はＶ，Ｚｒ又はＢｅ，Ｃｅ又はＰ
ｂの添加を必須としており、製造コストが著しく高くな
る。特開昭６０−１５５６４２号は耐腐食疲労特性の向
上を目的としており、ＳとＰの含有量比率を規定してい
るため製鋼工程でのコストが上昇する。特開平３−８２
７０８号は、ＣとＰの含有量比率を規定しており、かつ
Ｐの含有量が高いことから、溶接性に悪影響を及ぼすと
考えられる。

【００１０】又、溶接残留応力に関連した溶接学会全国
大会講演概要第３７集ｐ．３１４−３１５、第３８集
ｐ．７８−７９、第３９集ｐ．３３８−３３９、ｐ．３
４０−３４１および特開昭６０−６８１７５号は、オー
ステナイトからフェライトあるいはマルテンサイトへの
変態温度の低下を狙って溶接残留応力を低減させたもの
であるので、一般に高合金鋼が対象となって高コストは
避けられない。特開昭５７−１７３７７号も同様に高合
金材料である。又特開平２−１１５３５２号では、スポ
ット溶接継手の十字引張強度向上を目的としており、溶
接された継手の疲労強度が向上するかどうかは不明であ
る。本発明の目的は、高温強度を低下させることにより
溶接残留応力を低減して継手疲労強度を向上させた構造
用鋼を安定して提供するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は高温強度を低く
することにより、溶接残留応力を低減して継手疲労強度
向上を狙ったものである。すなわち、本発明の要旨とす
るところは、重量％で、Ｃ：０．００１〜０．０１０
％、Ｓｉ：０．００５〜０．０５％、Ｍｎ：０．０５〜
１．００％、Ｐ≦０．０２０％、Ｓ≦０．０１０％、Ｎ
ｉ：０．３〜２．０％、Ｃｕ：０．５〜２．０％、Ａ
ｌ：０．０１０〜０．０５０％、Ｂ：０．０００１〜
０．００１０％を含有し、かつＮｉ／Ｃｕ≧０．４の組
成を有し、残部は鉄およびその他の不可避的成分からな
り、かつ下式で規定されるパラメータＡが１５以下であ
ることを特徴とする溶接継手疲労特性の優れた構造用鋼
である。 Ａ＝0.350 ＋22.8×Ｃ＋12.5×Ｓｉ＋16.8×Ｍｎ＋23.4
×Ｐ−164 ×Ｓ＋30.9×Ｎｉ−2.24×Ｃｕ−332 ×Ａｌ

【００１２】

【作用】以下に本発明を詳細に説明する。まず本発明に
おける成分限定理由を述べる。Ｃは後述する溶接止端部
近傍の硬度分布の均一化および溶接残留応力低下のため
少なくすることが望ましく、０．０１０％以下である必
要があるが、強度確保のためには０．００１％以上は必
要であるので０．００１〜０．０１０％とする。Ｓｉは
脱酸のためには不可避元素であり、０．００５％以上を
必要とするが溶接性を確保するためには少なくすること
が望ましいので含有量は０．０５％以下とする。

【００１３】Ｍｎは安価に強度を上げる元素として有用
であり、強度確保のため０．０５％以上は必要であるが
多くなると溶接性を損なうので含有量は０．０５〜１．
００％とする。Ｐは不純物元素であり、溶接割れ感受性
の低減や応力除去焼鈍による脆化や割れの防止を図るた
め、０．０２０％以下に限定する。Ｓは不純物元素であ
り、溶接割れ感受性の低減や応力除去焼鈍による脆化や
割れの防止を図るため、０．０１０％以下に限定する。
Ｓは低ければ低いほど靭性が向上する。

【００１４】Ｃｕは後述するように溶接入熱によって微
細に析出し、止端部近傍のＨＡＺの軟化を防ぐために
０．５％以上は必要であるが、多くなると溶接割れを生
じるため０．５〜２．０％とする。Ａｌは脱酸のため
０．０１０％以上必要であるが、多くなると鋼中介在物
が多くなりすぎ、鋼の靭性を低下させるため０．０５０
％を上限とする。Ｂは低Ｃ鋼材の結晶粒界を強化し、低
温での粒界割れを防止する元素として有用であり、０．
０００１％以上は必要であるが多すぎると脆化を起こす
ため、上限を０．００１０％とする。

【００１５】Ｎｉ／Ｃｕ比は、連続鋳造時における表面
割れを防止するために必要であり、Ｃｕ濃縮部の凝固温
度を上昇させるため、Ｎｉ／Ｃｕ≧０．４となるように
Ｎｉを添加する。ただし、Ｃｕの微細析出に伴う靭性の
低下を防ぐために、Ｎｉは少なくとも０．３％以上の添
加が必要であり、又、Ｎｉの多量添加は溶接割れを生じ
るため、上限を２．０％とする。本発明では、代表的な
溶接時の冷却過程における種々の鋼板の降伏強度を検討
した結果、強度を上記成分の関数として下式Ａによって
与えた。 Ａ＝0.350 ＋22.8×Ｃ＋12.5×Ｓｉ＋16.8×Ｍｎ＋23.4×Ｐ −164 ×Ｓ＋30.9×Ｎｉ−2.24×Ｃｕ−332 ×Ａｌ ………（１）

【００１６】そして溶接残留応力と高温での降伏強度
（パラメータＡ）との関係を検討した結果、図１に示す
関係を得た。図１の縦軸の残留応力は、継手疲労強度に
影響を及ぼす、溶接線に垂直な方向の止端での残留応力
である（板厚１２mm、溶接入熱１８kJ／cmのＣＯ₂ 溶
接）。すなわち継手疲労強度を向上させるほど溶接残留
応力が十分に小さい値であると判断される（２）式の関
係を見いだした。 Ａ≦１５ ……………………………………………（２）

【００１７】一般に高温強度には、Ｃｒ，Ｍｏなどの成
分が大きな影響を及ぼすが、本発明鋼は炭素鋼を対象と
しており、さらにＣｒ，Ｍｏは高温強度を上昇させる成
分であるので本発明鋼には不要であることから、（１）
式から外した。なお本発明におけるＮは、特開平２−１
１５３５２号に示すように加工性を高めることを目的と
して０．００５０％以下に限定するものとは異なり、継
手疲労強度に及ぼすＮの影響は小さいので、その成分範
囲は特に限定するものではない。

【００１８】又本発明におけるＣｕは、同じく特開平２
−１１５３５２号に示すように継手引張強度向上を目的
として０．８％以上に限定するものではなく、０．５％
以上であれば継手疲労強度を著しく向上させることがで
きる。さらに特開平２−１９９３４２号に示すようにＴ
ｉ，Ｖ，Ｚｒ，Ｃａ，Ｃｒ，Ｎｉと同等の効果を示して
１．０％以下に限定するものではなく、溶接の熱によっ
てＨＡＺを析出強化するためには０．５〜２．０％の範
囲であれば継手疲労強度を著しく向上させることができ
る。加えて特公平３−５６３０１号は、鋼板の未再結晶
組織の面積率を５〜３０％と規定しているが、ＨＡＺ粗
粒域は１５００℃付近まで加熱された領域であり、溶接
前の鋼板の未再結晶組織の面積率が何％であろうともオ
ーステナイト単相に戻されるため、本発明では特に未再
結晶組織の割合など、組織を制限するものではない。

【００１９】次に本発明の構造用鋼の継手疲労強度が向
上する理由を述べる。溶接継手においては疲労亀裂は溶
接止端で発生した後、伝播して最終破断に至るが、溶接
時に発生する残留応力（通常は引張の残留応力）が、疲
労破壊を助長させており、溶接残留応力を低減すれば継
手疲労強度が向上することは従来から知られている。引
張の溶接残留応力を生じる部分は溶接金属の他にＨＡＺ
があり、変形抵抗のなくなる力学的溶融温度（通常８０
０℃前後）以上に加熱された部分は、冷却時の収縮によ
って降伏応力レベルの引張残留応力が発生する。

【００２０】溶接残留応力は、通常８００℃以下の冷却
過程での体積収縮によって応力が発生し、室温に冷却さ
れた時に残留している応力のことであるが、本発明者ら
は、冷却過程で発生している応力は、その温度における
鋼材の降伏強度（高温での降伏強度）レベルであること
を見つけた。従って、８００℃以下の温度での降伏応力
が低い鋼材ほど、室温に冷却された時の残留応力は小さ
くなることがわかった。

【００２１】次に、降伏応力の温度依存性に及ぼす添加
元素の影響を検討した結果、室温から８００℃までの広
範囲な温度域に渡って、（１）式に示すパラメータＡが
１５以下の鋼材は、降伏応力が低く、従って継手疲労強
度を低下させるに十分な溶接残留応力の低下が認められ
ることがわかった。溶接残留応力が継手疲労強度に及ぼ
す影響は、平均応力効果として整理される。疲労強度
は、正の平均応力（引張応力）が大きいほど小さくな
り、修正Ｇｏｏｄｍａｎ線図に従えば、引張強さの１／
２の大きさの正の平均応力が存在する鋼材の疲労強度
は、平均応力のない鋼材の疲労強度の１／２になってし
まう。引張の残留応力は平均応力として溶接止端部に作
用し疲労強度を低下させるため、残留応力の低い継手ほ
ど疲労強度が大きいことは明らかである。

【００２２】本発明鋼の継手疲労強度向上効果は、上述
の残留応力低減効果が主であるが、それ以外にも、Ｃ量
を低減させてＨＡＺ硬化を防ぐこと、およびＣｕの微細
析出によってＨＡＺ軟化を防ぐことによって溶接金属お
よびＨＡＺでのひずみの集中を防止する効果も働いてい
る。特願平５−０１４２３３号ではＨＡＺの硬化を防ぐ
目的から、炭素当量Ｃｅｑを０．２以下に規定している
が、（１）式のパラメータは炭素当量を増加させる元素
を制限しているため、結果的には（１）式のみで溶接残
留応力の低減と、ＨＡＺ硬化の抑制を果たすことが可能
である。

【００２３】すなわち本発明の構造用鋼は、高温での降
伏強度を低くして溶接残留応力を低減させる効果と、Ｃ
ｕの析出強化を用いてＨＡＺの硬度を均一にすることに
より塑性変形の集中を抑える効果とを程よく兼ね合わせ
て継手疲労強度を著しく向上させた鋼板である。本発明
では特に鋼板の引張強度レベルを特定していないが、こ
れは上述のＣｕ析出による強化効果を利用することによ
り鋼板素材の強度を変化させることができるためであ
る。しかし元来Ｃ含有量が少ないため、７００MPa クラ
スの強度が限界であろう。又溶接材料の強度は鋼材と同
レベルであることが望ましいが、低Ｃのため希釈され
て、止端部近傍は硬度平坦となるため、必ずしも同一強
度レベルの必要性はない。しかしＭｏ，Ｃｕなど溶接の
熱により硬化する元素が溶接材料に多量に含まれている
場合はこの限りではない。

【００２４】又、本発明は回し溶接継手のような溶接残
留応力の高い場合に特に有効であるが、隅肉継手、突合
せ継手においても疲労強度が向上する。Ｔ字隅肉継手で
は、板厚が小さいか又は入熱が小さい場合には、角変形
による曲げ応力が加わるため止端部の溶接残留応力は圧
縮となるが、この場合も本発明の鋼板の残留応力は従来
鋼より大きな圧縮の残留応力が発生し、疲労強度が向上
する。

【００２５】さらに本発明では、溶接方法、すなわち入
熱の違いによる疲労強度向上効果の違いが考えられる
が、溶接では例え大入熱であっても冷却速度が遅くなる
だけで、上述の残留応力低減効果は発揮される。又、Ｈ
ＡＺではＣｕ析出が飽和することは考えられない。従っ
て入熱が大きくなるとＨＡＺの幅が大きくなり、残留応
力の低下は期待でき、Ｃｕ析出による強化機構も進行し
て、疲労強度の向上効果は大入熱であっても有効であ
る。又言うまでもなく、溶融溶接であれば、溶接方法に
関係なく疲労強度向上が期待できる。ただし、溶接入熱
および鋼板の板厚によって溶接残留応力の絶対値そのも
のは異なるため、継手疲労強度の向上効果も溶接入熱や
板厚によって異なるが、同一入熱および同一板厚であれ
ば、本発明鋼の継手疲労強度は従来鋼より向上する。

【００２６】

【実施例】表１に示す成分を有する板厚１２mmの鋼板を
製造し、この鋼材に母材強度と同レベルの強度を持つ溶
接材料を用いて入熱１８kJ／cmでＣＯ₂ 溶接を行って、
十字隅肉継手を製作し、室温、大気中で片振り疲労試験
（応力比Ｒ＝０）を行った。各継手の試験片形状・寸法
をそれぞれ図２に示す。比較のため、添加元素の含有量
およびパラメータＡを、本発明の範囲外に変化させた比
較鋼の例も示した。又、表中の機械的性質は室温大気中
の結果である。

【００２７】

【表１】

【００２８】疲労試験結果を合わせて表１に示す。疲労
試験結果は、試験片の破断寿命が２×１０⁶ 回に対応す
る疲労強度で示してある。本発明鋼は比較鋼に比べて約
１０％以上継手疲労強度が向上している。本発明鋼Ｂは
引張強さが７００MPa クラス、本発明鋼Ｄは引張強さが
６００MPa の鋼板であるが、強度レベルによらず疲労強
度の向上が認められている。又、比較鋼Ｆは本発明者ら
が特願平５−０１４２３３号で発明した鋼板であるが、
本発明鋼の方がさらに大きな疲労強度を示している。

【００２９】

【発明の効果】本発明にかかる構造用鋼は、継手形式、
鋼板素材の強度など、広範囲に渡り溶接継手の疲労特性
に優れている。従って疲労破壊が問題となる構造物での
使用に際し、設計・施工面で特別な配慮を必要とせず高
い疲労強度を安定して得ることが可能であり、工業的に
その効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のパラメータＡと十字隅肉溶接継手の止
端での溶接線に垂直な方向の溶接残留応力との関係を示
した図表。

【図２】（ａ），（ｂ）は本発明の実施例における十字
隅肉継手の試験片形状・寸法の説明図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、 Ｃ ：０．００１〜０．０１０％、 Ｓｉ：０．００５〜０．０５％、 Ｍｎ：０．０５〜１．００％、 Ｐ ≦０．０２０％、 Ｓ ≦０．０１０％、 Ｎｉ：０．３〜２．０％、 Ｃｕ：０．５〜２．０％、 Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％、 Ｂ ：０．０００１〜０．００１０％ を含有し、かつ Ｎｉ／Ｃｕ≧０．４ 残部は鉄およびその他の不可避的成分からなり、かつ下
   式で規定されるパラメータＡが１５以下であることを特
   徴とする溶接継手疲労特性の優れた構造用鋼。 Ａ＝0.350 ＋22.8×Ｃ＋12.5×Ｓｉ＋16.8×Ｍｎ＋23.4
   ×Ｐ−164 ×Ｓ＋30.9×Ｎｉ−2.24×Ｃｕ−332 ×Ａｌ