溶接継手の強度適合：完全ガイド

長い間、溶接構造物の伝統的な設計原則は、主に強度設計に基づいてきた。

実際の溶接構造物では、溶接部と母材との強度的なマッチング関係には、溶接部の強度と母材の強度が等しい場合（等強度マッチング）、溶接部の強度が母材の強度を上回る場合（高強度マッチングとも呼ばれる高強度マッチング）、溶接部の強度が母材の強度を下回る場合（低強度マッチング）の3種類がある。

構造物の安全性と信頼性の観点から、溶接部の強度は一般に、母材強度と少なくとも同等であることが要求される。これは「等強度」設計の原則と呼ばれる。

しかし実際の生産現場では、溶接材料は析出した金属の強度に基づいて選択されることが多く、これは実際の溶接と同等ではない。 溶接強度.

特に低合金高強度鋼に溶接材料を使用する場 合、溶接金属の強度は析出金属の強度よりはるかに高 いことが多い。

その結果、名目上は「対等な強さ」でも、実際には「優れた強さ」という結果になることがある。

優れた強度のマッチングが常に安全で信頼できるかどうかについてはコンセンサスが得られておらず、疑問の声もある。

中国の九江長江大橋の設計では、溶接部の「優れた強度値」は98MPa以下に制限されている。米国の学者ペリーニ氏は、保守的な構造健全性目標を達成するためには、母材と同等かそれ以下の強度137MPaの溶接部（すなわち低強度マッチング）を使用することができると提案した。日本の佐藤邦彦氏らの研究成果によれば、低強度マッチングも実現可能であり、工学的に応用されている。

しかし、ベルギーの研究者ソエテと中国の研究者チャン・ユーフォンは、優れた強さのマッチングは有利であるべきだという見解を示している。

明らかに、溶接構造物の安全性と信頼性に影響を及ぼす溶接強度のマッチングに関する設計原則の理論的・実践的根拠はまだ十分でなく、統一的な理解もない。

溶接継手のより合理的な設計原則を決定し、溶接材料を正しく選択するための基礎を提供するために、清華大学の陳博林教授らは、国家自然科学基金研究プロジェクト「高強度溶接継手の理論的研究」を実施した。 鋼溶接 タフネス・マッチング。

プロジェクトの研究内容には、490MPaグレードの低品位の破壊強度が含まれる。 降伏強度 比高強度鋼継手の破壊強度、690～780MPa級高降伏強度比高強度鋼継手の破壊強度、未溶接継手の引張強度、深切り欠き試験片頂部の変形挙動、溶接継手のNDT試験。

多くの実験結果が示している：

引張強さが490MPaの高強度低降伏比鋼の場合、一定の靭性と適切な優れた強度を持つ溶接材料を使用するのが有利である。

溶接の加工性や用途への適応性などを考慮すれば、一定の靭性と実際の「同等の強度」を持つ溶接材料を選択する方が合理的である。

この種の鋼材の溶接継手の破壊強度と挙動は、鋼材の強度と延性の複合効果に依存する。 溶接材料.

だから 溶接構造 靭性を考慮せずに強度のみを考慮した設計では、使用上の安全性を確実に保証することはできない。

降伏強度比が690～780MPaの高強度鋼の場合、その溶接継手の破壊性能は、溶接部の強度、靭性、塑性率に関係するだけでなく、溶接継手の不均質性によっても制約される。

溶接部の強度が過剰に優れ ていたり、低かったりするのは理想的とは言えず、強度が等し く一致する接合部が最高の破壊性能を持つ。したがって、実際の等強度原則に従って溶接継手を設計するのが合理的である。したがって、溶接強度には上限と下限を設けるべきである。

強度整合係数（Sr）は、母材の引張強度に対する溶接材料の析出金属の引張強度の比であり、接合部の機械的性能の不均一性を反映することができる。

実験結果によると、Sr≧0.9の場合、溶接継手の強度は母材の強度に近いとみなすことができる。したがって、生産現場では、母材より10%だけ強度が低下する溶接材料を使用することで、継手が等強度設計要件を満たすようにすることができる。

Sr≧0.86の場合、接合部の強度は母材強 度の95%以上に達する。これは、母材の強度が高いため溶接金属が拘束され、溶接部の強度が向上するためである。

母材の降伏強度比は溶接継手の破壊挙動に重要な影響を及ぼす。J

母材の降伏強度比が低い接合部は、母材の降伏強度比が高い接合部よりも脆性破壊に対する抵抗性が高い。このことは、母材の塑性予備力も継手の耐脆性破壊性に大きな影響を与えることを示している。

溶接金属の変形挙動は、溶接部と母材との機械 的性質の一致に影響される。

同じ引張応力では、低降伏強度比鋼の高強度合わせ継手の溶接ひずみは大きく、高降伏強度比鋼の低強度合わせ継手の溶接ひずみは小さい。溶接継手の亀裂開口変位（COD値）も同じ傾向を示し、低降伏強度比鋼の優れた強度整合継手は、亀裂先端で降伏しやすく、亀裂先端の変形が大きいという利点があることがわかる。

溶接継手の耐脆性破壊性は、継手の機械的性能の不均質性と密接な関係がある。脆性破壊に対する耐性は、溶接部の強度 によって決定されるだけでなく、溶接部の靭性と塑性 性によっても制約される。溶接材料の選択は、溶接部が適切な強度を持つこ とを保証するだけでなく、溶接部が十分な靭性と塑性 性を持つことも保証しなければならない。つまり、溶接部の強度と靭性のマッチングをうまく制御する必要がある。

高強度鋼の場合、溶接金属と母材の強度を等しく することは、技術的に非常に困難である。溶接強度が等しくなったとしても、溶接部の塑性と靭性が許容できないレベルまで低下し、耐割れ性も著しく低下する可能性がある。これを防ぐには 溶接クラックそのため、建設条件は非常に厳しくならざるを得ず、建設コストは大幅に上昇する。

強度だけを追求して構造全体の性能を犠牲にすることを避け、施工上の経済的信頼性を向上させるためには、強度を下げて低強度マッチング方式を採用する必要がある。

例えば、日本の潜水艦用鋼NS110の降伏強度は1098MPa以上であり、マッチングの蒸着金属の降伏強度は1098MPa以下である。 溶接棒 およびガス・シールド溶接ワイヤは、940MPa 以上、降伏強度整合係数0.85 が要求される。

低強度のマッチング溶接材料を使用した後 炭素含有量 と炭素当量を減らすことができ、溶接部の靭性と耐割れ性を向上させ、溶接施工をより便利にし、建設コストを削減することができる。

さらに、日本の佐藤邦彦氏によるいくつかの試験データによれば、溶接金属の強度が母材強度の80%を下回らない限り、継手の強度は母材と同等であることが保証される。

しかし、低強度溶接継手の全体的な伸びは、 若干低くなる。疲労荷重の下では、溶接部の余分な高さを除去しな ければ、溶接部に疲労き裂が発生する。 フュージョンゾーン.しかし、溶接部の余分な高さを取り除くと、低強度溶接部に疲労亀裂が発生する。

したがって、低強度溶接を使用する場合は、特定の条件に基づいた実験的作業を行う必要がある。