溶接構造の疲労強度を理解する

溶接構造物の疲労破壊の原因

溶接構造物の疲労破壊の原因は、いくつかの重要な要因を含んでいる：

溶接継手は通常、母材と同等の静的耐荷重性を示すが、繰返し荷重下での性能は著しく損なわれる。この耐疲労性は、継手の構成と全体的な 構造設計に大きく影響される。その結果、溶接継手部で早期破壊がしばしば発生し、構造全体の完全性が損なわれる。

歴史的に、溶接構造の設計は静的な荷重強度を優先し、重要な疲労の考慮がおろそかにされてきた。この見落としは、包括的な疲労設計基準の欠如と相まって、現在では長期の繰り返し荷重に対して不適切であると認識されている、最適とは言えない継手設計につながっている。

工学設計者や技術者の間には、溶接構造物特有の耐 疲労特性に関する知識のギャップが存在する。この欠陥は、非溶接金属構造の疲労設計基準や構造形式を不適切に適用する結果となり、溶接継手がもたらす特有の課題に対処できないことがよくあります。

溶接構造の普及は、コスト効率と軽量化を重視する業界動向と相まって、設計荷重の増加につながっています。このような最適化の推進は、静的なシナリオでは有益ですが、材料を耐久性の限界に近づけることで、疲労関連の問題を悪化させることがよくあります。

溶接構造物の高速・高荷重用途への利用が増加するにつれ、その動的耐荷重性能に対する要求も高まっている。しかし、溶接構造物の疲労強度に関する研究は、このような要求の進化に追いついておらず、設計と性能予測における重大な知識ギャップを生み出している。

溶接のつま先や付け根に固有の応力集中は、融合 不足や気孔などの潜在的な溶接欠陥と相まって、 疲労き裂の発生部位となる。これらの微細構造および幾何学的不連続性は、 溶接されていない部品に比べて溶接部品の疲労 寿命を著しく低下させる。

溶接中に生じる残留応力、特に溶接部近傍の引張残留 応力は、繰返し荷重下でき裂の発生と進展を促進す るため、構造物の実効疲労強度を大幅に低下させる可 能性がある。

2.溶接構造の疲労破壊の原因

2.1 溶接構造の疲労強度に及ぼす静荷重強度の影響

鉄鋼材料の研究において、研究者たちは高い比強度、つまり軽量でありながら大きな荷重を支える能力を追求する。これにより、構造物は同じ重量を保ちながらより大きな耐力を持つことができ、あるいは軽量化しながら同じ耐力を持つことができる。その結果、高強度鋼が開発され、高い疲労強度を誇るようになった。

卑金属の疲労強度は、静的荷重強度が増すにつれて増加する。しかし、これは溶接構造物には当てはまらない。溶接継手の疲労強度は、母材の静的強度、溶接金属、熱影響部の微細構造および特性、溶接金属の強度適合性との相関関係が限定的である。

言い換えれば、同じ溶接継手の詳細が与えられた場合、高強度鋼と低炭素鋼の疲労強度は同じであり、同じS-N曲線を示します。これは、突合せ継手、コーナー継手、溶接梁など、さまざまな継手タイプに当てはまります。

Maddox氏は、降伏点が386MPaから636MPaの 炭素マンガン鋼と、6種類の電極を用いて溶接した 溶接金属および熱影響部の疲労き裂進展に関する研 究を行った。

その結果、材料の機械的特性はき裂進展速度にある程度の影響を与えるが、その影響は大きくないことが示された。

交番荷重を受ける溶接構造物の設計におい て、高強度鋼を選択することは工学的要求を 満たす上で意味がない。高強度鋼が溶接継手の母材に必要なのは、応力比が+0.5を超え、静的強度条件が支配的な役割を果たす場合だけである。

このような結果が得られた理由は、継手の溶接トウ部に、厚さ0.075mmから0.5mm、先端半径0.015mm以下の融合線に沿ったアンダーカットに似たスラグウェッジ欠陥が存在するためである。この鋭利な欠陥は疲労亀裂の起点であり、疲労亀裂の形成段階に相当する。

したがって、ある応力振幅下での継手の疲労寿命は、主に疲労き裂の進展段階によって決定される。これらの欠陥は、母材と溶接材料の静的強度に関係なく、同じ疲労強度を持つすべての鋼材で同じタイプの溶接継手になる。

2.2 疲労強度に及ぼす応力集中の影響

2.2.1 ジョイントタイプの影響

溶接継手には、突き合わせ継手、十字継手、T字継手、重ね継手などがある。これらの継手は、力伝達線の干渉により応力が集中しやすい。

突合せ継手は応力線の干渉が少ないため、他の継手に比べて応力集中が少なく、疲労強度が高い。しかし、突合せ継手の疲労強度は、サンプルの大きさ、開先形状、溶接方法、電極の種類、溶接位置、溶接形状、溶接後の処理、溶接後の熱処理など様々な要因によって大きく変化することが実験によって示されている。

突合せ継手に永久裏当て板を使用すると、裏当て 板に大きな応力集中が生じ、継手の疲労強度が 低下する。この種の継手の疲労亀裂は、 溶接部のつま先ではなく、溶接部と裏当ての間の 接合部で発生し、その疲労強度は一般に、裏当ての ない最悪の形状の突合せ継手と同等である。

溶接構造物では、クロス・ジョイントやTジョイントが広く使われている。

これらの耐力継手では、溶接部から母材への移行部で断面が明らかに変化するため、突合せ継手に比べて応力集中係数が高くなり、突合せ継手に比べてクロスジョイントやTジョイントの疲労強度が低くなる。

非ベベル・ジョイントの場合 隅肉溶接 局部溶け込み溶接を伴う溝付き継手では、疲労 破壊は2つの弱いリンク、すなわち溶接部が加工 応力を伝える場合、母材と溶接つま先または溶接 部の接合部で発生する可能性がある。開先が溶け込んだ十字継手の場合、破断は一般に溶接部ではなく、溶接つま先でのみ発生する。

溶接部が作業応力を負担しないT字継手とクロス継手の疲労強度は、主に溶接部と主応力板の接合部における応力集中に依存する。T字継手の疲労強度は高く、クロス継手の疲労強度は低い。

T字型やクロスジョイントの疲労強度を向上させるには、グルーブ溶接を使用し、溶接の移行部を機械加工して滑らかな移行部を作ることが有効である。この対策により、疲労強度を大幅に向上させることができる。

ラップジョイントの疲労強度は、力線の深刻な歪みのために非常に低い。いわゆる "補強 "されたカバープレートの突合せ継手を使用することは、極めて不合理である。

突合せ継手にカバープレートを使用すると、応力集中が高まるため、高い疲労強度が著しく低下する。

耐荷重カバープレート継手では、母材や溶接部に疲労亀裂が発生する可能性がある。さらに、カバープレートの幅や溶接部の長さを変えると、母材の応力分布が変化し、継手の疲労強度に影響を与える。継手の疲労強度は、カバー・プレートの幅 に対する溶接部の長さの比率が大きくなるにつれて 高くなる。

2.2.2 溶接形状の影響

継手の形態にかかわらず、継手は2種類の溶接で接続される。 隅肉溶接.

溶接部の形状は応力集中係数に影響し、疲労強度に大きなばらつきをもたらす。

突合せ溶接の形状は、継手の疲労強度に最も大きな影響を与える。

(1) トランジション角の影響

山口らは、疲労強度と母材と溶接金属の遷移角（外鈍角）の関係を確立した。

試験では、溶接部の幅（W）と高さ（H）は変化したが、H/W比は一定で、包含角は変化しなかった。その結果、疲労強度も変化しなかった。

しかし、溶接幅が一定で高さが変わると、高さの増加によって継手の疲労強度が低下することがわかった。これは明らかに、外部包含角の減少によるものである。

(2) 溶接遷移半径の影響

Sanderらの研究結果によると、溶接遷移半径も継手の 疲労強度に大きく影響する。移行半径が大きくなるにつれて（移行角 度は変化しないが）、疲労強度は増加する。

隅肉溶接の形状も継手の疲労強度に大きな影響を与える。片溶接の計算板厚(a)と板厚(b)の比が0.6～0.7未満の場合、一般に溶接部で破断する。a/b＞0.7の場合、一般に母材から破断する。

溶接部のサイズを大きくしても、別の弱い部分、つまり溶接トウの端にある母材の強度を変えることはできないため、疲労強度を超えることはせいぜいできない。

SoeteとVan Crombruggeは、異なる隅肉溶接で溶接した厚さ15mmの板について、軸方向疲労荷重を負荷する試験を行った。

その結果、溶接脚が13mm の場合、母材または溶接トウで破断が発生した。溶接脚がこの値より小さいと、溶接部に疲労破壊が発生した。脚の大きさが18mmの場合、母材で破断が発生した。

これらの知見に基づき、彼らは溶接脚サイズの制限を提唱した：Sは溶接脚のサイズ、Bは板厚である。

溶接脚の大きさが板厚（15mm）に達しても、溶接部で破断が発生し、理論的な結果を裏付けている。

2.2.3の影響 溶接欠陥

多くの異なるものがある。 欠陥の種類 は、疲労き裂の早期割れを引き起こし、母 材の疲労強度を著しく低下させた（80% まで）。

溶接欠陥は一般的に2つのカテゴリーに分けられる：

平面欠陥（亀裂や融着不足など）と体積欠陥（気孔やスラグ巻き込みなど）の影響度はさまざまである。

加えて 溶接欠陥 継手の疲労強度に及ぼす欠陥の影響は、欠陥の種類、方向、位置に依存する。

1) クラック

溶接の亀裂コールドクラックやホットクラックは、脆い微細構造に加えて応力集中の重大な原因となり、構造物や接合部の疲労強度を著しく低下させる。

先行研究によると、幅60mm、厚さ12.7mmの低炭素鋼突合せ継手サンプルにおいて、溶接部に長さ25mm、深さ5.2mmの亀裂（サンプルの断面積の約10%を占める）が存在する場合、交番荷重下での疲労強度は200万サイクル後に55%から65%低下する。

2) 不完全な浸透

圧力容器のノズルなど、特定の継手では意図的に設計されている場合もあるため、不完全な貫通が必ずしも欠陥とみなされるわけではないことに注意することが重要である。

不完全溶け込み欠陥は、表面欠陥（片面溶接）ま たは内部欠陥（両面溶接）であり、局所的なも のと全体的なものがある。欠陥は主に断面積を弱め、応力集中を引き起こす。

試験の結果、このような欠陥がない場合に比べ、疲労強度は25%低下している。

3) 不完全融合

重要な問題であるにもかかわらず、試料調製が困難なため、このテーマに関する研究は限られている。

しかし、融合の欠如は平面的欠陥の一種であり、無視できないことは明らかである。不完全貫通の一種として扱われることが多い。

4) アンダーカット

アンダーカットを表す主なパラメータは、アンダーカットの長さ（L）、アンダーカットの深さ（h）、アンダーカットの幅（W）である。

現在、疲労強度に影響する主なパラメータはアンダーカット深さ（h）であり、深さ（h）または深さと板厚の比（h/B）で評価することができる。

5) ストーマ

ハリソンは、体積欠陥に関するこれまでの試験結果を分析し、要約した。

疲労強度の低下は、主として気孔による断面積の減少によるものである。両者の間には直線的な関係がある。

しかし、いくつかの研究によると、試料表面が機械加工され、気孔が表面上または表面直下に位置するようになると、気孔の悪影響が増大する。気孔は応力集中の原因となり、疲労き裂の起点となる。

このことは、気孔の大きさよりも気孔の位置が継手の疲労強度に大きな影響を与えることを示唆しており、気孔は表面またはその下に位置し、最も大きな悪影響を及ぼす。

6) スラグ封入

IIWが実施した研究によると、体積欠陥のうち、スラグ含有は気孔率に比べて継手の疲労強度に大きな影響を与えることが示された。

溶接欠陥が継手の疲労強度に及ぼす影響は、欠陥の大きさに依存するだけでなく、表面欠陥は内部欠陥よりも影響が大きく、加力方向に垂直な平面欠陥は他の方向よりも影響が大きいなど、他のさまざまな要因にも影響される。

残留引張応力域に位置する欠陥は残留圧縮応力域に位置する欠陥よりも影響が大きく、溶接つま先割れなどの応力集中域に位置する欠陥は、均一応力域に位置する同じ欠陥よりも影響が大きい。

2.3 疲労強度に及ぼす溶接残留応力の影響

溶接 残留応力 は溶接構造物の特徴であり、その疲労強度への影響について広く研究されている。この問題を検討するために、数多くの実験的研究が行われてきた。

疲労試験は、多くの場合、次のようなサンプルを比較することによって実施される。 溶接残留応力 を、残留応力を除去するための熱処理が施されたものに置き換えることができる。これは、溶接残留応力の発生が、熱処理による材料特性の変化を伴うことが多いためである。 溶接熱サイクル熱処理は残留応力を除去するだけでなく、材料特性の一部または全部を回復させる。

しかし、試験結果にばらつきがあるため、結果の解釈や溶接残留応力の影響に対する評価も異なっている。このことは、様々な人々によって行われた初期および最近の研究を見ればわかる。

例えば、補強材を用いた突合せ継手の2×106サイクル試験では、研究者によって異なる結論に達している。

応力除去のための熱処理後の試料の疲労強 度は、溶接状態の同じ試料よりも12.5%高い ことが分かっている。しかし、いくつかの研究では、溶接したままの試料と熱処理した試料の疲労強度は同じで、ほとんど差がないことが分かっている。他の知見では、残留応力を除去する熱処理後に疲労強度が増加したが、その増加量は12.5%よりはるかに低かった。

同様の結果は、表面研磨を施した突合せ継手サンプルの試験でも見られた。熱処理後17%で疲労強度が向上した試験もあったが、向上しなかった試験もあった。

この問題はしばらくの間、混乱の原因となっていた。しかし、旧ソビエト連邦の学者が実施した交番荷重下での一連の試験が、この問題の解明に役立った。異なる応力サイクル特性下での継手疲労強度に及ぼす溶接残留応力の影響に関するTrufyakov氏の研究は、特に注目に値する。

試験は、14Mn2普通低合金構造用鋼を使用し、両面に縦方向の溶接ビードを重ね合わせたサンプルに横方向の突合せ溶接を施して行われた。

1つのサンプル・グループは溶接後の残留応力を除去するために熱処理を受け、もう1つのグループは熱処理を受けなかった。疲労強度比較試験は、r=-1、0、+0.3の3つの応力サイクル特性係数を用いて行った。

交番荷重（r＝-1）下では、残留応力を除去した試料の疲労強度は130MPaに近かったが、除去していない試料の疲労強度は75MPaしかなかった。

脈動荷重（r = 0）では、両サンプルグループの疲労強度は同じ185 MPaであった。

r=0.3の場合、熱処理によって残留応力を除去した試料の疲労強度は260MPaであり、熱処理を施さない試料の疲労強度270MPaよりわずかに低い。

この現象の主な理由は以下の通りである：

脈動荷重下(r=0)のようにrの値が大きい場合、疲労強度が高く、残留応力は高い引張応力の影響を受けて速やかに解放され、残留応力が疲労強度に及ぼす影響は小さくなる。rが0.3まで増加すると、残留応力は荷重下でさらに減少し、疲労強度に影響を与えなくなる。

熱処理は残留応力を除去するだけでなく、材料を軟化させ、処理後の疲労強度の低下をもたらす。

この試験は、溶接熱サイクルによる残留応力と材料変化が疲労強度に及ぼす影響を実証している。また、溶接残留応力が継手の疲労強度に及ぼす影響は、疲労負荷の応力サイクル特性に関係することも示している。サイクル特性値が低い場合、その影響は比較的大きい。

以前、残留応力のために、次のようなことが指摘された。 材料歩留まり 構造物の溶接部において、一定の振幅の応力サイクルを持つ継手では、元のサイクル特性に関係なく、溶接部近傍の実際の応力サイクルは材料の降伏点を下回る。

例えば、公称応力サイクルは+S1から-S2で、応力範囲はS1 + S2であるべきです。しかし、ジョイントの実際の応力サイクル範囲は、SY（降伏点における応力振幅）からSY-（S1＋S2）となります。

これは、溶接継手の疲労強度を検討する際に考慮すべき重要な要素であり、一部の設計基準では、繰返し特性rを応力範囲に置き換えている。

さらに、試験片のサイズ、荷重モード、応力サイクル比、荷重スペクトルも疲労強度に大きな影響を与えます。

3.溶接構造物の疲労強度を向上させるプロセス方法

溶接継手における疲労き裂の発生は、通常、 溶接ルートと溶接トウで起こる。溶接ルートでの疲労亀裂発生のリスクが抑制されれば、溶接継手の最も脆弱なポイントは溶接トウに集中するようになる。

溶接継手の疲労強度を向上させる方法はいくつかある：

溶接の欠陥、特に開口部を低減または除去する；

溶接つま先の形状を改善し、応力集中係数を減少させる；

溶接残留応力場を圧縮残留応力場に調整する。これらの改善方法は、表1に示すように2つのカテゴリーに分けられる。

最適化 溶接工程 は、溶接構造の疲労強度を向上させるだけでなく、溶接継手の静的荷重強度と冶金的特性も向上させる。このテーマについては膨大なデータがあるが、ここでは繰り返さない。

表1 溶接構造の疲労強度の改善方法

溶接継手の疲労強度を向上させる主な方法について、プロセス法を中心に3つのパートに分けて詳しく説明する。

3.1 溶接つま先形状の改善と応力集中の低減方法

1) TIGドレッシング

TIG補修が溶接継手の疲労強度を大幅に向上させることは、国内外での研究により明らかになっている。このプロセスでは TIG溶接 を使用して溶接継手の移行部を再溶解し、溶接部と母材との間に滑らかな移行部を形成する。これにより、応力集中が緩和され、小さな 非金属 スラグ介在物により、継手の疲労強度が向上した。

溶接ガンは通常、補修プロセス中に溶接つま先から0.5～1.5mm離して配置し、再溶解部分は清潔に保つ。事前にわずかな研磨を加えておくと、結果が向上する。

再溶解中にアーク消火が発生した場合、再溶解 溶接ビードの品質に影響を与えるため、再アーク 工程を適切に処理することが極めて重要である。リ・アークに最適な位置は、一般的に溶接ビード・ クレーターの前6mmである。

最近、国際溶接学会は欧州数カ国と日本の溶接研究機関と協力して、継手の疲労強度を高める方法の有効性に関する統一研究を実施した。サンプルは英国溶接研究所が作成した。

この研究では、2×10接合後の接合部の公称疲労強度を確認した。⁶ サイクルは、この方法による処理で58%増加した。この疲労強度の公称値211MPaは、144MPaの特性値（K指数）に相当する。これは、国際溶接協会によって確立された継手詳細疲労強度の最高FAT値を上回るものである。

2) 機械加工

溶接面を機械加工することで、応力集中を大幅に緩和し、突合せ継手の疲労強度を向上させることができる。溶接部に 欠陥がなければ、その疲労強度は母材のそれを上 回ることさえある。しかし、機械加工はコストのかかるプロセ スであり、利点がコストを正当化できる場合にのみ 実施すべきである。

重大な欠陥があり、底部溶接がない溶接部の場合、 欠陥や溶接部の付け根への応力集中は表面よりも はるかに激しく、機械加工は無意味になる。溶け込み欠陥がない場合、疲労亀裂は補強部や溶接つま先では発生せず、溶接の付け根に伝わります。このような場合、機械加工は継手の疲労強度を実際 に低下させる可能性がある。

溶接金属全体ではなく、溶接つま先部のみを研削す ることも、接合部の疲労強度を向上させる。このシナリオでは、き裂発生点が溶接つま先から 溶接欠陥.

旧ソ連のマコロフが行った高強度鋼（引張強さσb = 1080MPa）の疲労強度試験によると、交番荷重を受ける横バット溶接部の疲労強度は、2×10溶接後に±150MPaであった。⁶ サイクルであった。溶接部を機械加工して補強材を除去すると、疲労強度は±275MPaに向上し、母材の疲労強度と同等になった。突合せ溶接部のつま先の局部研磨の結果、疲労強度は±245MPaとなり、機械加工効果の83%に相当し、溶接状態より65%向上した。

疲労強度を確実に向上させるためには、機械加工または研削のいずれにおいても適切な技術を用いなければならないことに注意することが重要である。

3) 砥石研磨

砥石による研削は、機械加工ほど効果的では ないかもしれないが、溶接継手の疲労強度を向上させ る有効な方法である。国際溶接協会は、カーボン・タングステン材でできた、回転数15,000～40,000RPMの高速電動または油圧駆動の砥石の使用を推奨している。砥石の直径は、研削深さと半径が板 厚の1/4以上になるようにする。

国際溶接協会の最近の研究によると、2サイクル後のサンプルの公称疲労強度は、研削後に45%増加した。公称値199MPaの疲労強度は特性値（135MPa）に相当し、国際溶接協会が定めた継手詳細疲労強度の最高FAT値よりも高い。

研削方向は応力線の方向と一致させることが重要である。異なる方向に研削すると、応力線に垂直な切り欠きが残り、応力集中源として効果的に作用し、継手の疲労強度を低下させます。

4) 特殊電極法

この方法には、新しいタイプの電極の開発が含まれる。その液体金属と液体スラグは濡れ性が高く、溶接部の遷移半径を拡大し、溶接つま先の角度を減少させ、溶接つま先の応力集中を減少させ、溶接継手の疲労強度を向上させる。

TIG溶接補修と同様、特定の溶接位置、特に平らな溶接と隅肉溶接を強く好むが、垂直、水平、および平らな溶接では、その利点は著しく減少する。 オーバーヘッド溶接.

3.2 圧縮応力を発生させるための残留応力場の調整方法

1) プリ・オーバーロード方式

応力集中を含む試験片に、切り欠き部で降伏が生じるまで引張荷重をかけ、その結果何らかの引張塑性変形を生じさせた場合、除荷後、荷重をかけた切り欠き部近傍の引張塑性変形部位に圧縮応力が発生する。降伏点以下の引張応力は、試料の他の部分で釣り合うことになります。

その後の疲労試験において、この処理を施した試験片の応力範囲は、予圧を加えない元の試験片の応力範囲とは異なり、大幅に減少する。これにより、溶接継手の疲労強度を向上させることができる。

研究によると、橋や圧力容器などの大型溶接構造物を稼働させる前に、予荷重試験が必要である。これにより、疲労性能が向上する。

2) 地域暖房

局部加熱は、溶接の残留応力場を調整し、応力集中点に圧縮残留応力を発生させ、継手の疲労強度を向上させることができる。現在のところ、この方法は、長手方向の不連続溶接部または長手方向の補強板を持つ接合部にのみ適用できる。

片面すみ肉プレートの場合、加熱位置は通常、溶接部からプレート幅の約1/3である。両面隅肉板の場合、加熱位置は板の中央部である。これにより溶接部に圧縮応力が発生し、継手の疲労強度が向上する。

この方法では、研究者によってさまざまな結果が得られている。片面ガセットプレートの場合、疲労強度は145-150%増加し、両面ガセットプレートの場合、疲労強度は70-187%増加した。

局部加熱の位置は、継手の疲労強度に大きな 影響を与える。溶接端でのスポット加熱は、切り欠き部に圧縮残留応力を生じさせ、疲労強度を53%増加させる。しかし、溶接端から同じ距離の試料中央部でのスポット加熱では、金属組織学的効果は同じですが、引張残留応力が発生し、未処理の試料と同じ疲労強度が得られます。

3) 押出法

局所押し出し機構は、圧縮残留応力を発生させることで接合部の疲労強度を向上させるという点で、点加熱法と類似している。しかし、その作用点は異なり、押し出し位置は圧縮残留応力が望まれる場所でなければならない。

押し出し法は、低炭素鋼よりも高強度鋼サンプルに大きな影響を与える。

4) グルナートの方法

Gunnertは、局所加熱法では加熱位置と温度を正確に決定することが難しいため、満足のいく結果を得るための方法を提案した。この方法の鍵は、塑性変形を起こしうるが相変態温度である55℃または550℃より低い温度まで、周囲ではなく切り欠きを直接加熱し、その後急速に冷却することである。

表面下の金属と冷却されていない周囲の金属の冷却が遅れると、収縮が起こり、冷却された表面に圧縮応力が発生する。この圧縮応力は、部材の疲労強度を高めることができる。

注意しなければならないのは、加熱はゆっくりと下層を加熱することである。グナートは3分、ハリソンは5分の加熱時間を推奨している。

太田はこの方法を用いて、バットパイプの疲労亀裂を防止することに成功した。パイプラインの外側を誘導加熱し、内側を循環水で冷却することで、パイプラインに圧縮応力を発生させ、疲労き裂の発生を効果的に防止した。処理後、突合せ溶接管の疲労き裂進展速度は大幅に低下し、母材と同じき裂進展速度に達した。

3.3 応力集中を緩和し、圧縮応力を発生させる方法

1）ハンマリング法

ハンマリングは、接合部の溶接トウの表面に圧縮応力を生じさせる冷間加工法である。この方法の有効性は、溶接トウ表面の塑性変形に依存する。

さらに、ハンマリングは切り欠きの鋭さを減少させ、応力集中を抑えることができるため、継手の疲労強度を大幅に向上させることができる。国際溶接協会は、5～6 Paのエア・ハンマー圧力を推奨している。

ハンマーヘッドの上部は直径8～12mmの固いものとし、0.6mmの打ち込み深さを確保するために4つのインパクトを使用することを推奨する。

国際溶接協会の研究によると、非荷重のT字型継手では、ハンマーによる打撃によって疲労強度が2×10Tの下で54%増加する。⁶ サイクルのことだ。

2) ショットピーニング

ショットピーニングは、ハンマリングのもう一つの形態であり、衝撃加工の一種である。ショットピーニングの効果は、ショットピーニングの直径に左右されます。直径は、小さな欠陥に対処するために大きすぎず、一定レベルの冷間加工硬化を達成するために小さすぎない必要があります。ショットピーニングは通常、千分の数ミリの深さまで表面に衝撃を与えることができます。

研究によると、ショットピーニングは高強度鋼継手の疲労強度を大幅に向上させることができ、特に次のような効果がある。 アルゴンアーク溶接 高強度鋼材は、TIG補修をも凌ぐ。また、ショットピーニングを使用することで、TIG融着補修の効果を高めることができます。

4.溶接継手の疲労強度を向上させる最新技術

4.1 超音波衝撃処理法

近年、溶接継手や構造物の疲労強度を向上させる手段として、超音波衝撃が開発されている。そのメカニズムは、ハンマリングやショットピーニングと似ている。

しかし、超音波衝撃は、軽量、良好な制御、柔軟で便利な使用、最小ノイズ、高効率、アプリケーションの少ない制限、低コスト、エネルギー効率などの利点があります。あらゆる種類の継手に適しており、溶接後の溶接継手の疲労性能を向上させる効果的な方法である。

様々な典型的な溶接構造鋼の突合せ継手と非支承縦コーナー継手に対して超音波衝撃処理を用いて研究を行った。その後、溶接継手と衝撃処理継手の両方で比較疲労試験を実施した。その結果、表2に示すように、超音波衝撃処理後の溶接継手の疲労強度は50-170%増加した。

表2 超音波衝撃処理前後の疲労強度の比較

4.2 低位相変化スポット溶接ストリップ法

4.2.1 P溶接継手の疲労強度向上の原理と開発

圧縮応力は溶接継手の疲労強度を向上させることができ、これは文献で広く議論されている。しかし、溶接継手に圧縮応力を容易に導入する方法が課題となっている。

鉄鋼材料の冷却過程において、化学組成、合金含有量、冷却速度が異なる組織変化をもたらすことはよく知られている。これらの構造変化は体積膨張を伴い、拘束されると相変態応力が発生し、圧縮応力につながります。

溶接金属にとって、これは残留引張応力を減少させ、さらには残留圧縮応力をもたらし、溶接継手の機械的特性を向上させる。

低変態温度溶接電極(LTTE)は、低変態温度での溶接を可能にする新しい電極です。 溶接材料 相変態応力を利用して溶接継手に圧縮応力を発生させ、疲労強度を向上させるもの。

遡ること1960年代、旧ソ連の溶接専門家は、低位相変態法を提案した。 スポット溶接 当時は「低位相変態スポット溶接ストリップ」という用語は使われておらず、単に特殊電極と呼ばれていたが。

浮上 金属組成 は、相変態温度を下げ、冶金的な相変態を達成するために、主に3-4%のMnで構成されている。文献によると、これらの特殊電極で表面処理した小型試験片の疲労強度は、表面処理しない場合よりも75%高い。

近年、超低炭素鋼の開発や、溶接材料の析出金属のマルテンサイト変態温度を下げるためのCrやNiの使用により、低変態スポット溶接ストリップが急速に進歩している。

日本も中国も、まだ実験室段階ではあるが、この分野で広範な研究を行っている。

4.2.2 ELTTE電極の疲労強度改善効果

天津大学材料学院は、低変態温度溶接電極（LTTE）の設計と最適化を行い、さまざまな溶接継手について広範な疲労試験とプロセス性能試験を実施した。

(1) LTTE方式

低変態温度溶接電極（LTTE）と通常の電極E5015を使用して、横バット継手、無負荷クロス継手、縦方向円周すみ肉継手、縦方向平行すみ肉継手、縦方向平行すみ肉継手、縦方向平行すみ肉継手、縦方向平行すみ肉継手、縦方向平行すみ肉継手、縦方向平行すみ肉継手を溶接した。 隅肉溶接継手と縦方向の突合せ継手をそれぞれ使用した。疲労比較試験を行った。

その結果、相変化スポットのLTTE接合部の疲労強度は、次のようになった。 溶接棒 は通常の電極E5015より11%、23%、42%、46%、59%高かった。疲労寿命は数倍から数百倍に向上した。

表3 各種溶接継手の疲労強度改善効果

低変態温度溶接電極（LTTE）は、低温でのマルテンサイト変態による体積膨張から残留圧縮応力を発生させるため、残留圧縮応力の大きさは溶接継手の拘束力と密接な関係がある。

溶接継手の拘束が強ければ強いほど、残留圧縮応力は大きくなり、疲労強度の向上も顕著になる。

(2) 低位相変態スポット溶接のLTTEドレッシング法

しかし、これ以上 合金元素 通常の冷却速度と低温でマルテンサイト変態を 達成するために、溶接材料に低変態温度溶接電極 (LTTE)を使用すると、コストが大幅に上昇する。溶接構 造物のすべての溶接部を低変態溶接材料で行な うと、構造物全体のコストも大幅に上昇し、経 済的に実現不可能となる。

というのはよく知られている。 疲労破壊 溶接継手の残留圧縮応力は、通常、溶接つま先で 発生する。溶接トウに残留圧縮応力が発生すれば、すべての低位相変化スポット溶接ストリップを使用することなく、溶接継手の疲労強度を向上させることができ、材料コストを削減できる。

この考えに基づき、天津大学では実験結果に基づき、溶接継手の疲労強度を向上させるための低変態温度溶接電極（LTTE）トウドレッシング法を提案した。LTTEドレッシング溶接継手と通常の電極溶接継手の疲労強度を、無負荷クロス継手と縦方向円周すみ肉溶接継手の2種類を用いて比較した。その結果、前者の疲労強度は19.9%、後者の疲労強度は41.7%となり、このアイデアの実現可能性と実用性が証明された。

この予備研究は、工学的実践における低変態温度溶接電極（LTTE）の、より合理的な応用を提供する。

同時に、低変態温度溶接電極（LTTE）のトウ・ドレッシング・ジョイントは、カバー溶接およびトウ・カバー溶接ビード近傍への適用も反映できる。

4.2.3 A低位相変化スポット溶接ストリップの長所と短所

アドバンテージだ：

(1) 低変態温度溶接電極(LTTE)法は、溶接プロセス中に行われるため、溶接後の処理が不要である。

(2)LTTE方式は特別な操作技術を必要としないため、簡単で便利である。

(3) 低変態温度溶接電極（LTTE）を使用することにより、溶接継手の疲労強度を向上させることができる。後工程の溶接ビードの熱影響を受けないため、溶接後に加工できない隠し溶接部、覆い溶接部、片面溶接の裏面溶接部などの疲労強度向上に適している。

(4) LTTE電極は、溶接構造物の疲労亀裂の補修にも使用できる。

デメリット

溶接材料に多くの合金元素を加えると、低変態温度溶接電極（LTTE）材料のコストが上昇するが、これはLTTEドレッシングなどを使用することで相殺できる。

5.結論

結論として、溶接構造物が高速・高荷重に使用されるようになり、溶接構造物に対する動的耐力要求が高まっている。その結果、溶接継手の疲労性能を向上させる新技術を開発・活用することは、溶接構造物の幅広い適用にとって極めて重要である。

溶接継手の疲労強度を向上させるための超音波衝撃技術と低変態温度溶接電極（LTTE）の使用は、いずれも疲労性能の向上と溶接構造物のプロセスの分野における重要な研究方向である。