ブローホールを有する継手に生じる残留応力の検討

ホ ー ル 形 状 比 H/W に 比 べ て 小 さ い ． 例 え ば ， ブ ロ ー ホ ー ル の 幅 W を 1mm か ら 4mm に し て も 応 力 集 中 係 数 の 変 化 は 5%程 度 で あ る ． 以 上 の よ う に ， 応 力 集 中 に 対 す る ブ ロ ー ホ ー ル 形 状 比 の 影 響 は 大 き い も の の ， ブ ロ ー ホ ー ル の 寸 法 に よ る 応 力 集 中 係 数 の 変 化 は ほ と ん ど な い ． ま た ， 未 溶 着 部 の 有 無 に よ る 応 力 集 中 係 数 の 差 は ， ブ ロ ー ホ ー ル 形 状・寸 法 に よ ら ず 非 常 に 小 さ く ，1%程 度 で あ る ．し た が っ て ，未 溶 着 部 の 有 無 が 応 力 集 中 係 数 に 及 ぼ す 影 響 は ほ と ん ど な い と 考 え ら れ る ．

シ リ ー ズ Ⅱ モ デ ル の 解 析 よ り 求 め た ブ ロ ー ホ ー ル に よ る 応 力 集 中 係 数 と 継 手 の 板 厚 t の 関 係 を図 -3.9 に 示 す ． 未 溶 着 部 の 有 無 に よ ら ず ， 応 力 集 中 係 数 は 断 面 寸 法 の 最 も 小 さ い 板 厚 20mmの モ デ ル で 多 少 高 く な っ て い る が ， そ の 差 は 小 さ い ． し た が っ て ， こ こ で 対 象 と し た ブ ロ ー ホ ー ル の 寸 法 と 継 手 断 面 寸 法 の 範 囲 内 で は ， 継 手 断 面 寸 法 が 応 力 集 中 に 及 ぼ す 影 響 は 小 さ い と 言 え る ． ま た ， シ リ ー ズ Ⅰ と 同 様 に 未 溶 着 部 の 有 無 に よ る 応 力 集 中 の 差 も 小 さ い ．

以 上 の 結 果 か ら ， ブ ロ ー ホ ー ル の 形 状 比 が 大 き く な る こ と で 応 力 集 中 係 数 も 高 く な る が ， 形 状 比 が 同 じ で あ れ ば ， ブ ロ ー ホ ー ル 寸 法 ， 継 手 寸 法 が 応 力 集 中 係 数 に 及 ぼ す 影 響 は ほ と ん ど な い と 言 え る ．さ ら に ，未 溶 着 部 の 有 無 の 影 響 も 小 さ い と 判 断 で き る ．

ロ ー ホ ー ル の 幅 は 2mm， 高 さ は 4mm で あ る ．(a)は 未 溶 着 部 を 有 す る 部 分 溶 込 み 溶 接 を 施 し た 縦 継 手 ，(b)は 未 溶 着 部 を 有 さ な い 完 全 溶 込 み 溶 接 を 施 し た 横 継 手 で あ る ．こ こ で は ，疲 労 強 度 を 検 討 す る 際 に 用 い ら れ る 残 留 応 力 ，す な わ ち ，(a)で は 溶 接 直 角 断 面 の 溶 接 方 向 の 応 力 成 分 ，(b)で は ， 溶 接 断 面 の 溶 接 直 角 方 向 の 応 力 成 分 に 着 目 す る ． 前 節 と 同 様 に ， 継 手 モ デ ル 中 央 部 に ブ ロ ー ホ ー ル を 設 け ， 未 溶 着 部 の 高 さ を 板 厚 の 半 分 と し て い る ． ブ ロ ー ホ ー ル の 高 さ 方 向 の 位 置 も 前 節 と 同 じ で あ る ．

3.3.2  解 析 方 法  

こ こ で は ， ブ ロ ー ホ ー ル を 有 す る 縦 継 手 ， 横 継 手 の 溶 接 残 留 応 力 を 把 握 す る た め ， 熱 弾 塑 性 解 析 を 行 っ た ．プ リ ポ ス ト に は FEMAP，ソ ル バ に は ABAQUS Ver.6.11-3 を 用 い た ． 解 析 に は ， 継 手 の 対 称 性 を 考 慮 し て 1/4 モ デ ル と し ， 全 て の 要 素 を ソ リ ッ ド 要 素 と し て 行 っ た ． 要 素 分 割 は ， 着 目 点 で あ る 溶 接 部 に 含 ま れ る ブ ロ ー ホ ー ル 近 傍 の 要 素 寸 法 を 0.2mm程 度 ， そ れ 以 外 の 箇 所 で 1.0mm程 度 と し て い る ．

解 析 の 手 順 は 以 下 の 通 り で あ る ． ま ず ， 未 溶 着 の 有 無 ご と に そ れ ぞ れ 仮 定 し た 入 熱 量 の 溶 接 熱 源 を 溶 接 部 に 与 え ， 溶 接 時 の 温 度 変 化 を 非 定 常 熱 伝 導 解 析 で 求 め る ． 溶 接 部 の 入 熱 量 は 一 般 的 な 溶 接 条 件 を 参 考 に 210J/mm²と し た ． 入 熱 時 間 は 1 秒 間 で あ り ， 入 熱 個 所 は 溶 接 ビ ー ト の す べ て で あ る ． し た が っ て ， 溶 接 順 序 ， パ ス と 溶 接 の 移 動 は 考 慮 し て い な い ．基 準 温 度 は 20℃ と し ，上 記 の 入 熱 条 件 で 熱 伝 導 解 析 を 行 い ，そ こ で 得 ら れ た 温 度 分 布 に 基 づ い て ， 熱 弾 塑 性 解 析 を 行 う ． 熱 弾 塑 性 解 析 時 に は ， モ デ ル の 対 称 性 を 考 慮 し ， 対 称 面 の 直 角 方 向 の 変 位 を 拘 束 し た ． な お ， 未 溶 着 部 を 含 む 場 合 に は ， そ の 位 置 で の 直 角 方 向 変 位 の 拘 束 を 与 え て い な い ．

鋼 材 の 機 械 的 性 質 の 温 度 依 存 性 は図 -3.11(a)〜 (c)， 物 理 的 性 質 の 温 度 依 存 性 は図   単 位:mm

(a)部 分 溶 込 み 縦 継 手   (b)完 全 溶 込 み 横 継 手  

図 -3.10  解 析 対 象 （ 溶 接 時 加 熱 対 象 範 囲 ： グ レ ー 部 分 ）

-3.12 (a)〜 (c)に 示 す よ う に 設 定 し た ． 応 力 - ひ ず み 関 係 は bi-linear と し ， 塑 性 域 で の 応 力 - ひ ず み 関 係 の 傾 き は0.05N/mm²と し た ．鋼 材 の 常 温 時 の 降 伏 応 力 は 403N/mm² と し ，ヤ ン グ 率 は 2.0×10⁵N/mm²，ポ ア ソ ン 比 は 0.3 で あ る ．な お ，モ デ ル 全 体 の 熱 伝 導 を 考 慮 す る た め ， 熱 伝 達 係 数 は 空 気 に 触 れ る 鋼 表 面 で 一 定 と し て い る ． そ れ ら の 値 を表 -3.2に 示 す ．

図 -3.11  材 料 の 機 械 的 性 質 の 温 度 依 存 性 と の 関 係

0 200 400 600 800 1000

0 100 200 300 400

温度（℃）

降伏応力（N/mm2）

0 500 1000

0 0.5 1

温度（℃）

弾性係数比 E/E0

0 200 400 600 800 1000

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2

温度（℃）

線膨張係数（1/℃）

（×10 ⁵）

(a)降 伏 応 力   (b)弾 性 係 数 比   (c)線 膨 張 係 数  

図 -3.12  材 料 の 物 理 的 性 質 の 温 度 依 存 性 と の 関 係

(a)密 度   (b)比 熱   (c)熱 伝 導 率  

0 200 400 600 800

0 2 4 6 8 10

（×10⁶）

密度（kg/mm3）

温度（℃）

0 200 400 600 800 1000

0 300 600 900 1200

温度（℃）

比熱（J/kg℃）

表 -3.2 温 度 に よ る 熱 伝 達 係 数

0 200 400 600 800 1000

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

温度（℃）

熱伝導率（W/mm℃）

(b)完 全 溶 込 み 横 継 手 (a)部 分 溶 込 み 縦 継 手

図 -3.13  入 熱 後 の 温 度 分 布 （ 単 位:℃ ）

(a)部 分 溶 込 み 縦 継 手 の 溶 接 直 角 断 面 に お け る 溶 接 方 向 残 留 応 力

(b)完 全 溶 込 み 横 継 手 の 溶 接 断 面 に お け る 溶 接 直 角 方 向 残 留 応 力 図 -3.14  残 留 応 力 の コ ン タ ー 図 （ 単 位:N/mm²）

3.3.3  解 析 結 果  

解 析 よ り 求 め た 入 熱 後 の 温 度 分 布 を 図-3.13 に ，残 留 応 力 の コ ン タ ー 図 を図 -3.14(a) と(b)，ブ ロ ー ホ ー ル の 上 端 か ら 下 端 ま で の 残 留 応 力 の 分 布 を図 -3.15に 示 す ．前 節 で 示 し た 応 力 集 中 の 分 布 と は 異 な り ， 縦 継 手 の 引 張 残 留 応 力 は ， ブ ロ ー ホ ー ル の 長 軸 側 先 端 部 で 最 も 高 く な っ て お り ， 短 軸 側 先 端 部 （ ブ ロ ー ホ ー ル 側 壁 ） で 若 干 低 下 し ， ブ ロ ー ホ ー ル 下 端 部 に 近 づ く と 急 激 に 減 少 し て い る ． す な わ ち ， 高 い 応 力 集 中 が 生 じ る ブ ロ ー ホ ー ル 側 壁 に お い て 比 較 的 大 き な 引 張 残 留 応 力 が 生 じ て い る ．

完 全 溶 込 み 横 継 手 で は ， ブ ロ ー ホ ー ル の 上 端 と 下 端 で 高 い 引 張 残 留 応 力 が 生 じ て い る が ， ブ ロ ー ホ ー ル 側 壁 部 付 近 に は 小 さ い も の の 圧 縮 残 留 応 力 が 生 じ て い る ． す な わ ち ， 高 い 応 力 集 中 が 生 じ る ブ ロ ー ホ ー ル 側 壁 部 で は ， 圧 縮 残 留 応 力 が 生 じ て い る ．

以 上 の よ う に ， ブ ロ ー ホ ー ル に よ る 応 力 集 中 係 数 は 部 分 溶 込 み 縦 継 手 と 完 全 溶 込 み 横 継 手 で 同 程 度 と な る も の の ， 高 い 応 力 集 中 が 生 じ る ブ ロ ー ホ ー ル 側 壁 で の 残 留 応 力 は 縦 継 手 で 高 い 引 張 ， 横 継 手 で は 小 さ い も の の 圧 縮 と な っ て い る ． こ れ が ， 未 溶 着 を 有 す る 部 分 溶 込 み 縦 継 手 と 未 溶 着 を 有 さ な い 完 全 溶 込 み 横 継 手 で ， 疲 労 強 度 に 対 す る ブ ロ ー ホ ー ル の 影 響 が 異 な る 原 因 と 考 え ら れ る ．