HAZ

船舶用鉄鋼材料に関する技術セミナー資料
溶接部靭性向上とその技術
２０１４年５月
JFEスチール株式会社
厚板セクター部
主管潮海弘資
JFE Steel Corporation.
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本日のご説明内容
１．大入熱溶接が継手性能に与える影響
２．溶接熱影響部の靭性改善の為の打ち手
３．造船用厚板への適用例
４．超大入熱溶接継手の破壊靭性調査
５．まとめ
JFE Steel Corporation.
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１．大入熱溶接が継手性能に与える影響 ①
Heat affected zone (HAZ)
Fusion line
Thickness
Weld metal
Weld
metal
Base metal
溶接部のマクロ断面
◆母材希釈による溶接金属の性能劣化
◆溶接入熱による熱影響部の硬化および軟化
◆溶接入熱による熱影響部の靭性の劣化
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１．大入熱溶接が継手性能に与える影響 ②
溶接入熱増大による継手HAZ部靭性の変化
vE－20 at Bond （kgf-m）
Result
20
of
SR193
Ceq≦ 0.38
research
group
P ro c e ss
W e ld in g
AcC
SAW
ty
EGW
TMCP
T Mp Ce P
TM CP
CES
Non－ AcC
SAW
tyＣp eＲ
EGW
TM CP
CES
N o rm a
SAW
Ceq≦ 0.36
15
10
5
Ceq≦ 0.42
0
100
200
Heat
300
input
400
（ kJ/cm）
500
（日本造船研究協会 SR193委員会報告より）
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１．大入熱溶接が継手性能に与える影響 ③
1980～90年代の対応
Non TMCP steel
ノルマ型HT
母材
Grade/Dimension
Chemical Composition (%)
Mechanical
Property
TMCP steel
TMCP型HT
低Ceq・TMCP型HTの適用
による大入熱溶接の適用拡大
EH36‐TMCP 30×2,500×18,000mm
C
Si
Mn
P
S
Ceq*1 0.09
0.38
1.45
0.017
0.003
0.34
YS(N/mm2)
TS(N/mm2)
El(%)
416
512
26
Charpy
vE(J)
‐40℃
Over 290
‐80℃
242,250,276
*1 : Ceq=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5
継手
Welding Condition
Mechanical
Property
TS
(N/mm2)
508, 507
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50°
SAW(3Pole) Heat Input : 185KJ/cm
23mm
7mm
Charpy
vE(J)
‐20℃
FL
150,98,88
HAZ 1mm
86,128,150
HAZ 3mm
186,136,147
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１．大入熱溶接が継手性能に与える影響 ④
2000年代～コンテナ船大型化の急速な進展
上甲板構造極厚鋼板へのEGW１パス施工の適用
裏当材
溶接トーチ
EGW適用範囲
ｸﾞﾚｰﾄﾞ
EH36～EH47
板厚
50～70mm
入熱
水冷Ｃｕ
溶接方向
水冷銅板
鋼板
～600KJ/cm
EGW１パス施工例
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１．大入熱溶接が継手性能に与える影響 ⑤
EGW１パス溶接適用時の問題点
（FL）
◆FL近傍でのオーステナト粒の粗大化⇒冷却時に低靭性の
粗大なフェライトサイドプレートの生成
◆旧オーステナイト粒内での上部ベイナイトの生成
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２．溶接熱影響部の靭性改善の為の打ち手 ①
粗粒域幅の低減
Upper Bainite
Ferrite Side Plate
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Fine Intragranular Ferrite
粒内組織制御
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２．溶接熱影響部の靭性改善の為の打ち手 ②
超大入熱溶接対策鋼の靭性改善技術コンセプト
（１）低Ceqでの極厚、高強度化
●高度なTMCP制御
高冷却速度、高精度温度制御
（２）HAZの粒径制御
●窒化物・酸化物による粒成長抑制
（３）HAZの粒内組織制御
●ACRコントロール（O, S, Ca）
●B活用
ACR : Atomic Concentration Ratio
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２-１低Ceq鋼での極厚・高強度化
TMCP制御の高度化による低Ceq設計
高強度・厚肉化への対応
Heat input ( kJ/mm)
Heavy thickness
80
60
Microstructure after welding
Upper
Ferrite
bainite
Advanced
AcC.
Conv. YP390
AcC. (Heavy
thickness)
40
○ TMCP の高冷速化、高精度化
ACC設備の高度化
Increase in strength
and thickness
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× CおよびCeqの増大
⇒HAZ 靭性の劣化
Ordinary
YP355
0
0.30
・合金元素添加のミニマイズ
・合金設計の自由度UP
0.35
0.40
Ceq (%)
0.45
High strength
Heavy thickness
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（2000年前後）
母材および継手靭性の
改善達成
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２-２ HAZの粒径制御 ①
HAZの粒径制御の考え方
・TiN Pinningによる高温でのオーステナイト粒成長抑止
最適化
厳密制御
Ti, N量
Ti/N比
その他のマイクロアロイング
・TiN固溶温度の高温化
・TiNの微細分散
粗粒域幅（Coarse Grain Region）の極小化
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２-２ HAZの粒径制御 ②
HAZの粒径制御結果
通常鋼
粗粒域幅> 2ｍｍ
Weld
metal
HAZ
超大入熱溶接対策鋼
粗粒域幅 < 0.5ｍｍ
Weld
metal
HAZ
400μm
vE-40(F.L.) : 78J
板厚： 60mm
入熱： 40kJ/mm
vE-40(F.L.) : 235J
板厚： 65mm
入熱： 45kJ/mm
溶接方法： Electro-gas arc welding (EGW)
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２-３ HAZの粒内組織制御 ①
粒内組織制御のコンセプト
粒内フェライト変態の生成核として
酸化物、窒化物を活用
(TiO, TiN, BN, MnS, CaS, etc.)
微細な粒内フェライトの生成
粗大なフェライトサイドプレートおよび
上部ベイナイトの抑制
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２-３ HAZの粒内組織制御 ②
ACR制御によるCaS, MnS複合介在物の微細分散
ACR (Atomic Concentration Ratio)
Index for shape control of sulfide by Ca
CaS
， ,MnS
TiN
Al2O3
ACR=[%Ca]eff/(1.25×[%S]T)
Here, [%Ca]eff=[%Ca]T-(0.18+130×[%Ca]T)×[%O]
Fusion line近傍では溶解
MnS
MnS 溶解温度 1350℃
(1.55%Mn-0.0015%S)
小
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最適なフェライト核
生成サイトとして機能
TiN or BN
CaS
Al2O3
1μm
No MnS
Ca(O, S)
MnS
ACR
大
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２-３ HAZの粒内組織制御 ③
B, N制御によるHAZの強靭化
母板へのB添加
冷却速度が遅い場合BN として析出
BNをγ→α変態時における粒内フェライトの核生成サイトとして活用
BN + MnS
MnS
BN + TiN
BN
100nm
TiN
BN
100nm
超大入熱溶接用鋼のシミュレーションHAZ観察結果
(800 から 500℃の冷却速度 : 430s)
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２-３ HAZの粒内組織制御 ④
Bの拡散による固溶Nの低減
Fusion line
Coarse grain region
Dissolution of TiN
Weld metal
with high B
content
BN
Free N
Diffusion of B
Formation of BN
1,530
1,450
1,400
Temperature (°C)
Fusion line近傍でのTiN固溶free N発生
溶接金属からの拡散＋母材へのB添加
・鋼中の固溶Nの低減
・粒内フェライト生成核の増加
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２-３ HAZの粒内組織制御 ⑤
HAZ組織の比較
通常鋼
超大入熱溶接対策鋼
25μm
・Upper bainite
・Ferrite side plate
HAZ simulating conditions
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・Fine intragranular ferrite
最高加熱温度 : 1400℃
800 から 500℃の冷却時間 : 390s
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３．造船用厚板への適用例 ①
・供試財
: 船体構造用 EH40-TMCP
: 80mm
・Grade
・板厚
・化学成分
C
Si
Mn
P
S
Others
Ceq
0.08
0.22
1.54
0.007
0.001
Ti,B,Ca, etc.
0.36
Ceq = C + Mn/6 + (Cu+Ni)/15 + (Cr+Mo+V)/5
・母材の機械的性質
Tensile property
Charpy impact property
Y.S.
[N/mm2]
T.S.
[N/mm2]
El.
[％]
vE‐40
[J]
411
532
28
265
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３．造船用厚板への適用例 ②
超大入熱溶接試験結果
・シャルピー衝撃試験結果
Charpy absorbed energy , J
・継手マクロ写真
300
200
100
Aiming
0
-20℃ Open：Each
-40℃ Solid：Ave.
Location : 1mm under surface
Fusion line
HAZ1mm
HAZ3mm
Notch position
・溶接方法
・入熱
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: 2電極 EGW (1 pass)
: 68kJ/mm
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４．超大入熱溶接継手の破壊靭性調査 ①
継手の脆性破壊発生防止特性（Kc値）評価法
CTOD Test
Deep notch test
t=50~80mm
0.1mm
Clip gauge
（Mechanical Notch）
WM
2a=240mm
480mm
F
Fatigue Notch
F
WM
t=50~80mm
F
500mm
200~320mm
Kc(Fatigue Notch)≒0.68×Kc(Mechanical Notch)
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４．超大入熱溶接継手の破壊靭性調査 ②
2007～2010年日本船舶技術研究協会
『極厚板溶接継手からの脆性破壊防止に関する調査研究』
◆継手シャルピー管理で脆性破壊防止は担保出来ているか？
◆実施工継手の実力は？
各種超大入熱溶接継手をディープノッチ試験で評価
●EH36および40の板厚50～65mmのEGW継手について評価
●何れも日本海事協会の規定を上回る衝撃値が得られた
●脆性破壊発生特性（Kc値）は-10℃でいずれも4000N/mm1.5以上
（従来の検討で想定された-10℃での必要最小Kc値3000N/mm1.5をクリア）
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５．まとめ
●TMCP鋼の適用により1980～1990年代に多電極SAW
による大入熱１パス溶接の適用（EH40, ～300KJ/cm）
・低Ceq設計によるHAZ組織改善
・不純物の低減・介在物形態制御
●コンテナ船の大型化に伴う、高強度・極厚鋼板へのEGW
による超大入熱１パス溶接の適用（EH40、300KJ/cm～）
●LPG船など低温材への大入熱１パス溶接の適用
新たなHAZ高靭化技術の開発
・TMCP制御高度化による高強度材の低Ceq製造
・酸化物、窒化物によるHAZの粒径制御
・HAZの粒内組織制御による粒内フェライト生成
●さらなる高強度材（EH47）, 極厚化（70mm超え）への
対応が進行中
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（参考文献）
・TMCP鋼の適用、継手の必要破壊靭性
1）日本造船研究協会．第193研究部会総合報告書．1985
2）北田ら．船舶で躍進する新高張力鋼（成山堂書店）．P.110‐132
・HAZ部靭性の改善
3）鈴木ら．まてりあ．Vol.43, No.3, 2004, p.232‐234
4）鈴木ら．JFE技報．No.5, 2004, p.19‐24
・TMCP設備、TMCPによる造船用高張力鋼の製造
5）小俣ら．NKK技報．No.179, 2002, p.57‐62
・HAZの粒径制御
6）金沢ら．鉄と鋼．Vol.61, No.11, 1975, p.2589‐2603
7）中西ら．溶接学会誌．Vol.52, No.2, 1983, p.117‐124
8）弟子丸ら．川崎製鉄技報．Vol.18, No.4, 1986, p.295‐300
9）児島ら．材料とプロセス．Vol.16, 2003, p.360‐363
・HAZの粒内組織制御
10）船越ら．鉄と鋼．Vol.63, No.2, 1977, p.303‐312
11）山本ら．鉄と鋼．Vol.79, No.10, 1993, p.1169‐1175
12）拝田ら．鉄と鋼．Vol.66, 1980, p.354‐362
13）木谷ら．溶接学会全国大会講演概要．No.72, 2003, p.108‐109
・実継手の破壊靭性値評価
14）日本船舶技術研究協会．超大型コンテナ船の構造安全対策の検討に係る
調査研究報告書．2009, p.40‐47
JFE Steel Corporation.
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