4.1 緒 言
4.3.2 解析結果
前節で示した モデルに対す る計算結果を、板幅 で整理したものが Fig.
4.3.5(a)(b)である。(a)は、溶接速度が1500 mm/minの場合であり、(b)は 1000
mm/minの場合である。この結果から、比較的入熱量が大きく、板幅が小さ
い場合に割れの発生が多くみられる。なお、極端に入熱量が大きく板幅が 小さい場合には、割れは発生しないが、これは、板幅全体の平均温度上昇 が非常に高い溶接条件での現象であり、現実の現象には対応していない。
また、溶接速度については、これが大きいほど割れやすくなる傾向がわず かにみられる程度である。Fig.4.3.6(a)(b)には、溶接中における過渡変形お
Fig.4.3.4 Temperature dependent material constants.
0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0
0 500 1000 1500
Ma te ri al P ro pe rt ies
α(℃‑1)×10‑5 ρ(g/mm3)×10‑3
λ(J/mm/sec/℃)×10‑2 γ(J/mm2/sec/℃)×10‑5 c(J/g/℃)×10‑1
E(MPa)×105
Temparature(℃)
σY(MPa)×102
よび温度分布を示している。割れは、トーチの後を追う形で進展している 様子がよく分かる。また Fig.4.3.7 は、完全冷却後における板幅方向残留応 力の分布および変形を示した図である。完全冷却後には、始端部が接触し ている様子が分かる。このことは、Fig.4.2.3に示した実験結果においても認 められている。
本研究では、モード I 型の高温割れのみについて解析を行っている。し たがって板幅方向の応力σyの熱サイクル中における変化に着目し、溶接高 温割れ発生のメカニズムを検討する。そのために、割れが生じる場合と生 じない場合の例として、溶接条件は同じで、板幅 B が大きい B=100mm の 場合と小さい B=60mm 場合の２通りについて比較を行う。Fig.4.3.8 は、始 端部における板幅方向成分の応力と温度の履歴を示す。また Fig.4.3.9 は、
始端部に位置する界面要素の開口変位と温度の履歴である。これらの図か ら、板幅：B=60mmの場合には、a点において、割れ発生に伴う応力の減少 や、変位の増加が明瞭に認められる。また、b点においては、冷却過程にお いて、始端部が再び閉口するという現象が再現されている。したがって最 終的には、閉口部において接触による圧縮の応力が作用している。このよ うに、割れの進展のみならず、始端部の閉口による接触現象も含めて、面 にかかわる現象が詳細にシミュレートできる点が、界面要素を用いた解析 法の大きな特徴である。
Fig.4.3.10は、左から、溶接開始直後、中間状態および溶接終了直前の過
渡期における溶接線上の温度分布を示している。図中のA、B、Cはそれぞ れの場合における最高温度位置を表している。Fig.4.3.11は、溶接線上の板 幅方向成分の応力分布を表しているが、熱源前方には、熱膨張に伴う圧縮 の応力が働いており、さらにその前方では、圧縮応力とバランスする形で 引張り応力が働いている。また、熱源後方には、溶接高温割れ発生源とみ ら れ る 高 温 部 に お け る 引 張 り 応 力 が 働 い て い る こ と が 分 か る 。 一 方 、
Fig.4.3.12は溶接線上の界面要素の変位量の分布を示しており、溶接高温割
れが最高到達温度位置から 40mm ほど遅れて発生・進展している様子が分 かる。これは、軟鋼の融点である 1450℃以上の液相領域においては割れが 発 生しな いこと を表し ており 、割れ が発生 ・進展 するの は冷却 過程で、
(a) v=1500 mm/min
(b) v=1000 mm/min
Fig.4.3.5 Effect of heat input and width of plate on hot cracking (computation)
0 50 100 150 200
0 20 40 60 80 100 120
He a t in put Q /h ( J/mm
2）
Width of plate(mm) Safe zone
Tav≧1000℃
Hot cracking zone 0
50 100 150 200
0 20 40 60 80 100 120
He at in pu t Q/ h (J /m m
2）
Width of plate(mm) Safe zone
Tav≧1000℃
Hot cracking zone
(℃) 2500 2250 2000 1750 1500 1250 1000 750 500 250 0
Torch position
(a) in early stage
(b) near final stage
Fig.4.3.6 Transient temperature distribution and deformation (B=60 mm, v=1500 mm/min, Q/h=100 J/mm2)
Fig.4.3.7 Distribution of stress (σy) and deformation after complete cooling (B=60 mm, v=1500 mm/min, Q/h=100 J/mm2)
(MPa) 300 270 240 210 180 150 120 90 60 30 0
Fig.4.3.8 Opening stress (σy) during thermal cycle on interface element at starting edge of welding line (v=1500 mm/min, Q/h=100 J/mm2)
Fig.4.3.9 Opening deformation during thermal cycle on interface element at starting edge of welding line (v=1500 mm/min, Q/h=100 J/mm2)
‑350
‑300
‑250
‑200
‑150
‑100
‑50 0 50
0 500 1000 1500 2000 2500
B= 60mm B=100mm Op en in g st re ss at st ar ti ng e dg e (MP a）
Temperature (℃）
b a
‑0.5 0 0.5 1 1.5
0 500 1000 1500 2000 2500
B=60 B=100
Op en in g di sp la ce me n t o f in t er fac e el em en t (m m)
Temperature (℃)
b a
Fig.4.3.10 Temperature distribution along welding line (B=60 mm, v=1500 mm/min, Q/h=100 J/mm2)
Fig.4.3.11 Distribution of stress in breadth direction (σy) along welding line (B=60 mm, v=1500 mm/min, Q/h=100 J/mm2)
0 500 1000 1500 2000 2500
0 50 100 150
Te mp er at ur e( ℃ ）
Coordinate along welding line (mm) near final
stage
in early stage
C
A B
‑300
‑200
‑100 0 100 200
0 50 100 150
St re ss (σ
y) in wi d th di rec tio n ( MP a)
Coordinate along welding line (mm) in early
stage
C
A B
near final
stage
温度が BTR である 1200℃から 1450℃までの状態にある時に、開口方向の 変形が作用する場合である。