疲労試験

4.2.1  試 験 体 の 製 作  

  疲 労 試 験 に 用 い た 試 験 体 の 形 状 と 寸 法 を図 -4.2に 示 す ．供 試 鋼 材 は 板 厚 12mm の 溶 接 構 造 用 圧 延 鋼 材 SM490YA で あ る ．そ の 機 械 的 性 質 と 化 学 成 分 を表 -4.1に 示 す ．試 験 体 の 製 作 は ， 溶 接 の 始 終 端 に エ ン ド タ ブ を 設 け ， 溶 接 後 に ガ ス 切 断 で エ ン ド タ ブ を 取 り 除 い た 後 ，そ の 面 を デ ィ ス ク グ ラ イ ン ダ ー で 仕 上 げ る こ と に よ り 行 っ た ．溶 接 は ， す べ て フ ラ ッ ク ス 入 り ワ イ ヤ JIS Z3313 YFW-C50DM を 用 い て 1パ ス の CO2溶 接 に よ

図 -4.2  試 験 体 の 形 状 と 寸 法 （ 単 位 ：mm）

210 210 100

420 12

12

溶 接 脚 長 S=3 50

表 -4.1  供 試 鋼 材 の 機 械 式 性 質 と 化 学 成 分

450 556 25 機械的性質 降伏点

(N/mm²)

引張強さ

(N/mm2) 伸び(％)

C Si Mn P S Cu

0.17 0.31 1.33 0.017 0.003 0.02

Ni Cr Mo V Ceq

0.02 0.02 0.01 0 0.41

化学成分(％)

り 水 平 姿 勢 で 行 っ た ． 溶 接 時 の 電 流 は 250A， 溶 接 電 圧 は 33V， 溶 接 速 度 は 40cm/min で あ る ．試 験 体 の 溶 接 脚 長 は 9mm程 度 で あ っ た ．そ の 後 ，す み 肉 溶 接 部 が ル ー ト 破 壊 す る よ う に ， ま ず 溶 接 面 を 動 力 の こ ぎ り で 切 削 し ， バ ー グ ラ イ ン ダ ー に よ り 脚 長 が 3mm程 度 ，止 端 の 曲 率 半 径 が 10mm程 度 と な る よ う に 仕 上 げ た ．こ の よ う な 試 験 体 を 2体 用 意 し た （A 験 体 ，B 試 験 体 ）．

4.2.2  疲 労 試 験 方 法  

疲 労 試 験 は ，動 的 能 力 500kＮ の 電 気 油 圧 サ ー ボ 式 材 料 試 験 装 置 を 用 い て 軸 引 張 荷 重 下 で 行 っ た ．A 試 験 体 の 疲 労 試 験 は ， 上 限 荷 重 を 400kN， 下 限 荷 重 を 160kN と し ， 主 板 で の 公 称 応 力 範 囲 が 200N/mm² と な る よ う な 条 件 で 行 っ た ． こ の よ う に 高 い 応 力 比 で 疲 労 試 験 を 行 っ た の は ， 溶 接 ル ー ト に 存 在 す る 残 留 応 力 の 影 響 を で き る だ け 避 け る た め で あ る ⁵⁾．B 試 験 体 に つ い て は ， き 裂 の 発 生 ・ 進 展 挙 動 を 調 べ る 目 的 で ， 以 下 の 条 件 で ビ ー チ マ ー ク 試 験 を 行 っ た ．こ こ で も 上 限 荷 重 を400kN，下 限 荷 重 160kNと し ， 上 限 荷 重 を 一 定 と し た ま ま ，20 万 回 ご と に 荷 重 範 囲 を 半 減 し た ． 応 力 波 形 は 正 弦 波 ， 繰 り 返 し 速 度 は 5Hz で あ る ．

ル ー ト 部 か ら の き 裂 発 生 と す み 溶 接 貫 通 を 観 察 す る 目 的 で ， い ず れ の 試 験 体 と も図 -4.3 に 示 す 位 置 に ゲ ー ジ 長 5mm の 一 軸 ひ ず み ゲ ー ジ を 試 験 体 の 両 端 面 に 貼 り 付 け ， 荷 重 繰 返 し に 伴 う ひ ず み 範 囲 の 変 化 を 調 べ た ． 同 図 に は ， 貼 付 し た ひ ず み ゲ ー ジ の 記 号 （FR，FL，BR，BL） も 示 し て い る ．

図 -4.3  一 軸 ひ ず み ゲ ー ジ 貼 付 位 置 ひ ず み ケ ー ジ(FL)

※ 反 対 の 端 面(BL) 溶 接 線 ①

溶 接 線 ② 溶 接 線 ③

溶 接 線 ④ ひ ず み ケ ー ジ(FR)

※ 反 対 の 端 面(BR)

1.5mm

4.2.3  疲 労 試 験 結 果  

疲 労 試 験 を 行 っ た ２ つ の 試 験 体 と も ， ル ー ト か ら 発 生 し た 疲 労 き 裂 の 進 展 に よ り す み 肉 溶 接 部 が 破 断 し ， そ の 後 き 裂 が 主 板 に 進 展 し て 破 断 に 至 っ た ． 主 板 が 破 断 す る ま で の 疲 労 寿 命 は A 試 験 体 で 175 万 回 ，B 試 験 体 で 269万 回 で あ っ た ． た だ し ，B 試 験 体 の 疲 労 寿 命 に 荷 重 範 囲 を 半 減 し た 際 の 荷 重 繰 返 し 数 は 含 め て い な い ．

  試 験 体 A の 荷 重 繰 返 し に 伴 う ひ ず み 範 囲 の 変 化 を図 -4.4 に 示 す ．FL の ひ ず み 範 囲 が 繰 返 し 荷 重 載 荷 直 後 か ら 減 少 し 始 め ，荷 重 繰 返 し 数 50万 回 程 度 以 降 は 一 旦 ほ ぼ 一 定 と な り ，100 万 回 以 降 再 度 低 下 し て い る ． こ れ は ， 繰 返 し 荷 重 載 荷 直 後 に 溶 接 ル ー ト か ら 疲 労 き 裂 が 発 生 し ，50 万 回 程 度 で FL 近 傍 に お い て す み 肉 溶 接 を 貫 通 し て ，100 万 回 以 降 に 母 板 に 進 展 し た こ と を 示 し て い る と 考 え ら れ る ．BLで も 繰 返 し 荷 重 載 荷 直 後 か ら ひ ず み 範 囲 が 減 少 し 始 め ，100万 回 以 降 は ひ ず み 範 囲 が ほ ぼ 一 定 と な っ て い る ． こ れ ら に 比 べ て BR，FR で の ひ ず み 範 囲 の 変 化 は 小 さ い ． こ の よ う な ひ ず み 範 囲 の 変 化 か ら 考 え る と ，疲 労 き 裂 は図 -4.3に 示 す 溶 接 線 ② あ る い は ④ の F側 の ル ー ト か ら 主 た る 疲 労 き 裂 が 生 じ た も の と 考 え ら れ る ． ま た ， ル ー ト か ら 生 じ た 疲 労 き 裂 が F側 の

図 -4.4  Ａ 試 験 体 の 荷 重 繰 返 し に 伴 う ひ ず み 範 囲 の 推 移

0.0 1.0 2.0

0 200 400 600

繰返し数(×10⁶回)

ひずみ範囲(μ)

BL

BR FL

FR

写 真 -4.1  Ａ 試 験 体 の 破 断 状 況 BL

BR

FL

FR 溶 接 線 ②

溶 接 線 ① 50万 回(29%)

溶 接 線 ② あ る い は ④ を 貫 通 し た 荷 重 繰 返 し 数 は 50 万 回 程 度 と 予 想 さ れ る ．試 験 体 が 破 断 し た 荷 重 繰 返 し 数 は 175 万 回 で あ る こ と か ら ， す み 肉 溶 接 破 断 が 全 寿 命 に 占 め る 割 合 は 30％ 程 度 と い う こ と に な る ．

写 真 -4.1に 試 験 体 A の 疲 労 破 面 を 示 す ．溶 接 線 ② の F側 に 半 楕 円 形 の 疲 労 き 裂 が 観 察 さ れ る ． ま た 試 験 体 中 央 付 近 に も 半 楕 円 形 き 裂 が す み 肉 溶 接 部 で 観 察 さ れ る ． 主 板 で は ， 矢 印 で 示 す 位 置 か ら 疲 労 き 裂 が 発 生 し て 進 展 し て い る ．

試 験 体 B で 測 定 し た ひ ず み 範 囲 と 荷 重 繰 返 し 数 の 関 係 を図 -4.5 に 示 す ．FL の ひ ず み 範 囲 は ，荷 重 繰 返 し 数 45万 回 程 度 か ら 減 少 し 始 め ，105万 回 程 度 以 降 は ほ ぼ 一 定 と な っ て い る ． す な わ ち ， 荷 重 繰 返 し 数 105 万 回 程 度 で FL 近 傍 の す み 肉 溶 接 を 疲 労 き 裂 が 貫 通 し た も の と 予 想 さ れ る ．変 化 は 小 さ い も の の ，FR で も 同 様 の 挙 動 が 観 察 さ れ

図 -4.5  Ｂ 試 験 体 の 荷 重 繰 返 し に 伴 う ひ ず み 範 囲 の 推 移

0.0 1.0 2.0 3.0

0 200 400 600

繰返し数(×10⁶回)

ひずみ範囲(μ)

BL

BR FL

FR

写 真 -4.2  Ｂ 試 験 体 の 疲 労 き 裂 状 FR

FL

溶 接 線 ③ 溶 接 線 ①

溶 接 線 ④

溶 接 線 ② 105 万 回(39%)

る ．

試 験 体 B の 疲 労 試 験 中 に 観 察 し た 疲 労 き 裂 を写 真 -4.2に 示 す ．荷 重 と ほ ぼ 直 角 方 向 に 進 展 し て 溶 接 部 を 貫 通 し た 疲 労 き 裂 が 溶 接 線 ② で 生 じ て い る ． こ の よ う な 疲 労 き 裂 の 進 展 経 路 は ， 荷 重 伝 達 型 す み 肉 溶 接 十 字 継 手 と 同 じ で あ る ．

写 真 -4.3は ，試 験 体 B の 疲 労 破 面 を 示 し て い る ．破 面 上 の 疲 労 き 裂 は 溶 接 線 ① と ④

BR 溶 接 線 ①

溶 接 線 ④ BL

FR

FL

FR 溶 接 線 ①

溶 接 線 ④ FL

BR

BL 写 真 -4.3  Ｂ 試 験 体 の 破 断 状 況

図 -4.6  Ｂ 試 験 体 の 疲 労 破 壊 FL

溶 接 線 ①

溶 接 線 ② 溶 接 線 ③

溶 接 線 ④

FR

溶 接 線 ①

FR 側 BR 側 BL側

BR側 1000μm 1000μm

写 真 -4.4  Ｂ 試 験 体 の 疲 労 破 面 （ 左 ： 溶 接 線 ① す み 肉 溶 接 部   右 ： 主 板 BR,BL 側 ）

に 生 じ て お り ，母 板 の 疲 労 き 裂 は 溶 接 線 ③ の ル ー ト 先 端 と 一 致 す る 断 面 で 生 じ て い た ． す な わ ち ，図 -4.6 に 示 す よ う な 断 面 で 疲 労 破 壊 が 生 じ て い た ． す な わ ち ，写 真 -4.2 に 示 し た よ う に 溶 接 線 ② で す み 肉 溶 接 を ほ ぼ 貫 通 す る 疲 労 き 裂 が 観 察 さ れ た も の の ， 先 に 溶 接 線 ① で 溶 接 線 全 長 に 渡 っ て 疲 労 き 裂 が 貫 通 し ，溶 接 線 ③ が 応 力 集 中 源 と な り ， そ こ か ら 疲 労 き 裂 が 生 じ た も の と 考 え ら れ る ．

写 真 -4.4は ，疲 労 破 面 の 拡 大 図 を 示 し て い る ．こ の 疲 労 試 験 で は ，13 回 の 荷 重 半 減 を 行 っ て い る が ， 観 察 さ れ た ビ ー チ マ ー ク は ， す み 肉 溶 接 で 4 本 ， 主 板 で 1本 で あ っ た ． 疲 労 き 裂 が す み 肉 溶 接 を 貫 通 し た 後 ， 一 旦 停 留 す る こ と （ ひ ず み 範 囲 測 定 結 果 よ り ），母 板 で 観 察 さ れ た 疲 労 き 裂 が 大 き い こ と か ら ，す み 肉 溶 接 で 観 察 さ れ た ビ ー チ マ ー ク が ど の 時 点 で 形 成 さ れ た も の か は 不 明 で あ る が ， ひ ず み 範 囲 測 定 結 果 よ り 比 較 的 早 期 に 疲 労 き 裂 が す み 肉 溶 接 か ら 発 生 し た も の と 推 測 さ れ る ． ま た ， す み 肉 溶 接 か ら 発 生 し た き 裂 は 扁 平 で あ り ， そ れ に 比 べ て 主 板 部 の き 裂 は 1/4 円 に 近 い 形 状 と な っ て い る ． こ れ は ， す み 肉 溶 接 の ル ー ト に 沿 っ て 高 い 応 力 集 中 が 生 じ る の に 対 し ， す み 肉 溶 接 が 切 れ た 後 の 母 板 で の 応 力 集 中 が 比 較 的 小 さ い こ と を 意 味 し て い る と も 考 え ら れ る ．

写 真 -4.4 に 示 し た よ う に ，溶 接 ル ー ト 部 に は ブ ロ ー ホ ー ル と 思 わ れ る 小 さ な 溶 接 き ず が 生 じ て い る ． こ れ が 疲 労 強 度 に 影 響 す る と も 考 え ら れ る が ， そ の 寸 法 は 小 さ く ， の ど 断 面 積 に 与 え る 影 響 は 小 さ い ． ま た ， 大 き な 溶 接 き ず が 生 じ た 場 合 に も ， の ど 断 面 積 を 基 準 と す れ ば ， 疲 労 強 度 に 対 す る 影 響 は な い こ と が 荷 重 伝 達 型 す み 肉 溶 接 十 字 継 手 の 疲 労 試 験 に よ り 確 か め ら れ て い る ⁶⁾.