直交溶接継手の疲れ強さ

U.D.C.ム20.178.322.1:d21.791.052.4

直 交 溶 接 継

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概

直交溶接継手ほ実合継手に比べ疲れ強さが著しく低下することが知られているが,溶接が自動化された今日 でほOne _{paSSの溶接線を長くし能率向上をはかる面より佐川を認めているところがある｡そこで溶接線を直} 交させることによる戯度低下を調べるとともに,瀬度哨人顎盲について実験を試みた｡実験にはSM41の6mm 鋼板を表裏各一層ずつのユニオンメルト溶接をした継手ふ〔験什を川い什振引張疲れ強さを求めた｡得られた結 果は,直交継手の疲れ強さが12kg/mm2となり突合継手の15kg/mm2より20%'の強度低下となった｡この 疲れ鼓さを増大させるには,直交部のまわり4個所を局部加熱することにより25%の感度上昇が得られ実合 継手と同一強度となり,片面に円形板を溶接すれば約8%上昇する｡またピード余盛りを除去すると67%と 著しく強度が増大する｡ 第1蓑 供 試 材 の _{諸 性} 質

l.緒

口 溶接朽造物の疲れ強さほ,主として溶接継手部の形状,表面1人 態,溶接欠陥など応力集中を生ずる国子により/仁右されるが,残留 応力の影響も軽視できない｡残留応力と疲れ菰さについてはまだ定 説は確立されていないが,残即応力がづl張りの場合には疲れ強さを 弱め,圧縮の場合には強めることが知られている｡一般に溶接部の 残留応力は手刷妾線方l祁こ大きな引張残留応力を/卜じ,溶接絶と血角 方向の値ほ小さい｡Trufyakov(1)が突合継手に縦ピードを置いたも のの引張疲れ強さを,Hall(2)らが母材に縦ピードを匿いたものが曲 げを受ける場合の疲れ強さを求めているが,いずれも縦ピード得き により大幅な強度低下を示している｡このように縦ビードによる引 張残留応力が疲れ漉さを低下させるところから溶接線の交差は好ま しくないとされてきた｡ しかし,最近では自動溶接が盛んになり能率向_Lの而よF)one passの柄接線を長くする傾向にあり,材料の板取りのうえからも好 都合である直交継手を採用している分野がみられる｡そこで,本報 ほまず直交継手の疲れ強さを求めるとともに,その強度低下の要囚 を取i)除くための対策を講じた場合の強度上昇を調べ,母材および 突合継子との疲れ強さを比較検討した｡

2.供試材および試験方法

2.1供 試 材 料 供ふモ母材はSM41の6rnm鋼板であり,実験の都合上同一板材よ りJ訂し験什を作聾望することができなかったので3種類の鋼板を用い た｡それぞれの化学成分および機械的性質貢を第1表に示す｡化学成 分ほ3稚ともほぼ同一値となっているが,降伏∴＼く,引張弧さには強 度差がみられ,n材でほSM41の規格伯を越えている｡これは熱処 剋がやや異なったものと思われるが,後述の疲れ了江し験結梨にて述べ るように,この程度の母材の静的強度の差異は溶接継手の貼れ強さ には影禦しないと考えられる点から一応問題とする必要はないよう である｡ 2.2 試 験 片 疲れ試験に用いた試験什形状を弟1囲および第2図に示す｡弟1 図は母材,契合継手および直交継手の形状を示したもので,弟2図 はil王女継手の直交部に種々の増砿策をほどこしたものである｡試 験汁ほすべて崇皮のままであり,板取りは圧延方向とLた｡edge * 日立製作所日立研究所 ** 日立製作所目立研究所 工悸 試料 No. 材 質 化 学 成 分 (%) 機槻的性質(kg/mm2,%) C Si

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第1図 試験片形状および寸法 1

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(d)直交溶接後 直交那と撮ピード未藍除去 増強策をほどこしたl白二交継手 effectがほいらぬよう;盲人験片肺を十分広くしたが,出女継手にぉい てはふし験装揖の関係で幅を140mmにしたため,試験片の端部より 疲れき裂が発生したものがあったので,小川.詣勺10mm幅の表裏にシ ョットピーニング加工してこれを防l上した｡この部分のショットピ ーニソグの影響が直交部の疲れ強さにほとんど影響しないことは両 交溶接のままの試験片により確かめてある｡ ここで舞2図に示した強度増大策の方法につき簡単に述べる｡ (1)帝交溶接後片面当板溶接 屯交部片面に直径約60mm,板厚6mmの鋼板を全周すみ肉溶 桜した｡その場合,当板部分のピード余盛りはグラインダ什上げ した｡ (2)t自二交添接後局部加熱 直交部の軸変低下の原因の一つは引張残留応力によるものと考

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第2表 溶 接 条 件

試料No･トb

繰 Ⅲ,m 0ⅩWeld _#43 リ ン _{デ #43} シックス G80 G80

芯流(叫郁三(Ⅴ)

500 460∼500 32 30∼35 暦 数 蓑虫1屈すつ 蓑虫1僧ずつ えられるため,その引張残留応力を減少せしめるため弟2図に示 す位琵に局部加熱をほどこした｡加熱条件はガスバーナにより板 の片面より加熱し,裏側でテンピルスチックにより温度を測定 し,温度:650∼700℃,時間:5∼8秒で以後空冷とした｡ (3)由交桁援後厄安部ピード余盛り除去 ピード余盛F)を除去することにより両交部の応力集中を緩和し て強度上界をはかったもので,その範囲ほ直交部の両径約60mm を両面ともグラインダ仕上げした｡ (4)直交溶接後直交部と燐ピード余盛り除去 (3)と同様であるが余盛り除去の範閃を広げて横ピードを全部 除いたものである｡ 2.3 _{溶 接 条 件} 柄接ほすべて表裏1層ずつのユニオンメルト溶接で,その条件を 策2表に示す｡閃光加工はガス切りのままとしたため,ルート間隔 は一滋でほないが横線捌安が0,縦線溶接が1.5mm程度である｡ 溶接方法は,試験什のつかみ部を含んだく型板を横に並べて連続 的に溶接し条件をそろえた｡直交継手では横線溶接を行なった後縦 緑捌妾を行ない,溶接後の処理はいっさいほどこしていない｡なお, 巾交部に当桝ラ糾妾したものほ手柄援であり溶接棒はB-17を用い た｡これら溶接終了後棟械加工にて所定の寸法に仕上げた｡ 2.4 試 験 方 さ去 披れiit験はド限応力2kg/mm2の片振リl張荷重で行ない,くり返 し速度は500∼700c/minとした｡試験什の取i)付けに際し,板惇方 向の心がずれているものは柄接邦が変形しないように修正し,幅ソナ 向にほr糾ザが加才っらぬようにr巨t交継手においては左イfに ストレーンゲージをはり動的に荷重を検定したn

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3.1各種継手の疲れ弓重さ しり 什振引張疲れ試験結果を弟3図および第3表に示す｡ 応力ほ_l二限と下限との差すなわち全振幅にて示してあ り,N=2×106における疲れ威さは,増村の26kg/mm2に対L突 合継手では15l(g/mm已で42%の戯度低卜となり,直交継二千では 12kg/mm2で54%の強度低￣￣Fとなっている｡ 直交継手は2.1で述べたように3種煩の母材を用いた関係上それ ぞれの母材について疲れ強さを求めたが,S-N他線からわかるよ うに時間強度にはいくぷんばらつきがみられるがN=2×106にこおけ る値としてはすべて12kg/mm2となり,熱処理などの主旨苧警により 第1表の機械的性質には強度差を生じたが溶接継手の疲れ威さには はとんど影響しないことがわかる｡またⅠ材の巾にほ試験什端附こ ショットピーニソグ加⊥二しなかったものが2本含まれているが,強 度差がみられないところからこの影幣も考えなくてよいと思われ る〔 百三一工交継手が突合継手より20%の瓜度低下をホしたのは,直交部の 材質に及ぼす熱影響も無視できないが,縦線溶接による引張残留応 力がきいたものと考えられる｡策4図はストレーンゲージをはって

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2037 第3表 各種継手の疲れ強さ (N=2×106) 試験片種煩 村 村 架 台 継 手 直 交 継 手 直交溶接接片耐 当板溶接 1亘蚕面短夜房詔｢ 加熱 直交溶楼後厄交 郎ビード除去 庄交溶接稜直交部 と坊ピード除去 竹】 ハり ｢へ㌧ ?l′ ∵ト｢■■ご ■し 咄.ノ甘 叫 ｢〔 招､ ノ′1｢ m .向何+剛楕 下ノ▲ハ鴨ハ甥 -千何誌ほ 代頂丁… /Jこ′† -ざ白モ敏子 ･∈ヰy一ぶ い=■〕加盟 疲れ強さ .(kg/mm2) 26.0 15.0 12.0 13.0 15.0 16.0 20.0 椚3国 こご と】 》 ＼〉/ 一_/ 母材に対する 強度率(%) 100 58 46 50 58 62 77 直交溶接に対 する強度率 (%) 216 125 100 108 125 133 167 破 壊 状 況 平 行 部 襲ピード+】二端部 裏側直交部,縦, 横ピード【卜端部 当板ビ∽ドと縦ビ 【ドとの交差部 裏側杭ピードの局 部加熱中心部 裏側俵ピードの残 部 ピード除去部の直 交部中心 爪 ネイ rぺ台紙千 丁看1吏木酢干(1村) 連発継手(】H寸) 三弔文継す(m′け) /ご)∫ ご-り(フβ 韓 う人妻羊＼ 山■ 各種継手の S-N曲線 ＼ノ

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･長手ち向 直帝石何 ′'イLJ (lニリ昌郡Ⅷ勲Lた重文継手 へ一七ヰ帖こ｡也 ガ 甜 〃 r 〔〃) ･ノ♂仁 王滴 -ごJ仙→ -Jロ ー･ブβ 第4図il′t交部の残摺応ノJ分布 おき切り抜いて測った残餞応力の分和を示し,測定位i熟ま図の応ノJ 上+盛0の点でど-ドより5mm戯れた位置の偵である｡(a)の結果 をみると,試験前のものほl白二交部で27∼30kg/mm2の残留応力とな っており,試験応力12kg/mm2で2×106回のくり返しに耐えた試験 後のもので18kg/mm2程度の値となっている｡一般に大きな残留応 ノJを右するものに外力による応力が加算され降伏点を越えると,も との残留応力が次第に減少するといわれているが,本試験什の場合 にはさほど減少していないようである｡この試験後の値18kg/mm2 が平均応力としてきき,突介継手の疲れ強さを低￣￣Fせしめたとして 疲れ限度線図を描くと第5図のようになる｡縦軸ほ応力振幅で実合 継手の場合には7.5kg/mm2となり,横軸のiP均応力は9.5kg/mm2 となる｡突合継手の平均応力9.5kg/mm2に直交溶接による残留応 力18kg/mm2が加わると27.5kg/mm2となり,その場合の応力振 幅はほぼ6kg/mm2すなわち令振幅で表わすと12kg/mm2の疲れ 強さであり,この値は直交継手のそれと一致する｡このことから直

ー107-2038 _{昭和38年12月} 加 〃彷∂ (N∈ぜいぜ)桔些噛付只拙句 (ノ+ ハ‖〕 表 側一--裏 側一 第6図 1￣ 叫七/で〕n-下∴∴] ノdJ /Jくブ ′7と丁ごノ ′77L｢ ユ㍑ へ〓U nリ ノヤ っJ /2♂ //1ワ /tフ｡･ブ【-(つ

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溶着早尾 4∫ β∫/♂ 2∂ ノ:∫ こJ 年}与応力 ♂mト王:エん1･ごJ 第5図 継手の疲れ限度線図 溶接部および局部加熱部のマクロ組織(×1)

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∂ β 九I _ノご.7イ ノ♂ /占'｢J7 三一三1亨,十方｢小しL＼)Ln托熟 r､∴､7ノ■･ワ) 第7何 桃緑抒享按部のかたさ分布

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J 第45巻 節12号 ｢)市 史 鮮 千 ･十 二†〕_文箱措桧パ由+当恥1#ナ方 十直交溝掛買局附∩ヰく-･ 丁自宅i糾阜†お.自 今藍陪J､ i巨二ご + 二ゝ郡+､--ト 史喜旨と拭し_ /♂∫ /♂占- プズノββ､ 繰返数 〟 第8図 増軒顎′三をほどこした市交緋手の S--N曲線 穎返し淫■垂･豆…塾亮･〉･;:≡.･ ≒-､￣￣￣･璽蛋;･;--･三･･言 ■_￣蓬⊇･亀;:￣壷1､_￣ ｢ミ■亘督童壱≡;豆:≡ま言. ･此盗表遥 盲￣￣.Ⅴ.￣...￣=￣ 岩謡;;=遍盃壷這這･〔≡_￣.･■￣:.≡茎.∈ 叩･-=一三-γ山一･ ･■吾と_事_雷=…苛ご￣軍■だ三i-′を三￣…く幣;二■ 三≡生__王･￣仏 ...雷￣烹三宝;鮎_ 滋_予′こた三

､こ･ゝ-￣_諸芸_ミ

;￣_-≡￣･_譲芸転義■-__謡芝萱≡=' (a〕小二女溶接経け面当駁溶接 交継手でも縦線桁接の引張碓官J比ニカを汀H成させjlば,実行継fの疲 jL威さに近づけうると拙宅'ミさJtる∩ また第4図(b)は縦線i糾去の代 わりにピード措きした場合のもので(a)に比べ大きな伯となってい る｡したがって溶接紙卜iこ付加物を溶接した場合にも巾二女継丁以上 の引張残留応力がもとの柄招部に工ト⇒ごることを二号点せねばならない といえる｡ 次に添接椛の村田変化について述べる∩ 弟る図は桝糸表音糾左1､甘=･ヾよ ぴけ榔加熱部の晰l向了マクロ糸t織である〔溶接は大栗1一汁ずつのユニ オンメルト桁桜であるため,JI士朗に柄接した側の捕捉企厄引よジき側か らの桁接により焼なまし効果を受けていることがわかる〔またピー ド形状ほ表側の方が高くなっていることもきき,令ふ〔験什ともき裂 の発射よ裏側ピードの1卜端からであった｡本試験什では余盛り成さ を特に定めなかったが,板厚の20%以上になると応力駐中が著し く.哨大する(3)ことから,余撼り高さを低くした方が威圧上好ましい といえる｡ 第7図は溶接部のかたさ分布である｡Ⅱ材およびⅢ材の場合であ るが,Ⅰ材では両者の中間の分布であった｡やはり溶接金属部でほ かたさが異なりなまし効児があらわれている｡ 3.2 _{増強策をほどこした直交継手の疲れ弓員さ} 直交継手の疲れ威さを改善するため種々の対策をほどこしたもの の片振引張疲れ試験結果を策8囲および第3表に示す｡直交溶接の ままは弟3図のデータをそのままプロットしたものであり,それに 対してL白二交部片面に当仮溶接したものでほ疲れ威さが13kg/mm2 で8%の強度上昇となり,以下桁接後局部加熱すると15kg/mm2で 25%,直交部のみピード余盛り除去が16kg/mm2で33%,析ピー ドとl自二交部縦ピードの余構i)除去が20kg/mm2で67%といずれも 効果のあることを示している｡したがって,この種の蛸献策の施工 (b)直交溶j去綻ん+)ご+T;方口熱 丘･みも ￣ (C)lr'l二j去桁指紋巾ノ主流と肌†二∴-トうう應り除去 ち′‡9L父†岬強7モをほどこLたIl′l二交継手の披労破壊状況 が実物の桃うむ物の桁+安価に対して‖r櫨な場介にほ向交継手を採川し てさしつかえないといえる∩ (1)小二交付川一面に当仮溶接したもの i試駁片外観ならびに披労破壊状況を第9図(a)にカモす｡破而よ り見てき裂は桁接した当板のすみ内止端より発生していることが わかF),この部分の形状の好子禦がきいたものと考えられる｡当桝 の形状ほく形にすると何の部分に応力が柴申するので必ずP￣j形と し,その大きさは但交柄接と当板溶接それぞれの熱影響部が弔な らぬ矧如こすればよいと考えられ,すみ肉_LL端部はなめらかにし て応力召ミ中を避けることを資する｡ (2)直交桁描後ん三浦;加熱したもの 心安捕に肝稲城留応力が生ずるようにガスバーナにて片桐川11熱 してソニ乍冷Lたもので,チェコのPuchnerにはじまり,イギリス のGul-neyなどが摘んにその効児を確認している方法である〔]三 としてガセットなどの付加物のある溶接部の弧度改善に用いられ ているが,それを応用するためにGurney(4)らの方法を参考にし

∬108一

直

交

溶

接

継

手 て予備実験を行ない,直交部の引張残留応力が最′+､になるように 2.2で述べた条件を決めた｡Jか別口熱したものの残留応力分布を 弟4図(c)に示す｡弟9図(l))のき要望充子ト状況をみると,局J‡仙II 熱部付近の引張残留応こ力の大なる個所よりき裂が発′Lすることが わかる｡き裂発生桃の71(g/mll12程度の残留応ノJ伯ほ実合淋下に 生ずる溶接線直角方向の値に近いところから疲れ威さが実で絹匪手 の疲れ強さに等しくなったことがうなずける｡ (3) ピード余盛りを除去したもの ピード余盛りをグラインダ研削すると止端部の応ノJ集中が取り 除かれるため疲れ強さが増大することが知られているので,余盛 りを完全に削除したものと値交部のみ削除したものにつき調べ た｡完全に削除した場合には弟9図(c)のようにき梨は直交部か ら生じている｡この疲れ強さほ突合継手の余盛り除去のものと大 差ないところから,応力集中のない場合の残留応力のきき方は′+､ さくなると考えられる∩ また,直交部のみピード余盛り除去した ものでほ,両端の余盛りが残っている部分から破壊し,突告継手 と大差ない疲れ強さとなった〔 以_L,実験結果につき述べたが,木紋別は6mm鋼板により求め たものであるため,厚仮の場介にこのまま適川することにほrJりj担が あると思われる｡また,実物の溶接満造物において†石部加熱などは 村屯方向を十分吟味して行なうことが肝要である〔縦ビードをイ∫す るものどうしを突合溶接した場令には母材の突合継手とほとんど強 度が変わらない(1)ところから,荷重方向が明らかに一方向とわかっ ている場合には,荷重方向の縦線溶接を行なった後突合溶接すれば 両交溶接による強度低下は考えなくてよいことになる｡ここで述べ た増献策以外にマルチプルガンによる柄援後のピーニソグ,ノ訃てJ折 節加工などによる効児も調べられているので,この種処￣;;戸モを討卜∂ごれ

新 案

登録新案舞712937号

電

気 炉 用

_変

圧 _器 この考射ま電気カリ‡】変圧貸[きの∴次側端十と乍昆気炉側の人力端子導 体とを接続するため,変址器の二次側;瑞汀言馴1こに取り着けた践続装 『に上期するものである∩ 従火,鮎数個配列された`i電気炉の逓帖を一千ト)つ二坐什器を共川して 行う場什,遅帖される電気炉へ変上上三:岩手を椎勤しでⅠ琵気炉側の人力端; -r勾‡〃こと変圧語注の二次側端汀導体をボルト約めLて導電接続を行っ ていたが,この椒り外しおよび接縦f即l三には州当多くの工数を要し, 変圧器および電文も好子の利用ヰミが低下するというプごくi何があった〔また 接続部の締茄圧力の1く足により,接続部の加l熱を引き起すこともた びたびあった｡ この考案は変圧器の二次側端…子導体8へ茶板10および10′をぷ茄 させ,基板10の内側に変圧器の二次側立J昌け導体8および`毒気炉の入 力端r4と接触対応するように接触板12を設け,他方,基板10′には ベローズ13および13′を介して接触板12と対応して両端子導体4, /β′ /J′ /β′ ＼､/J ＼∂ /β/ /2/ /β ＼＼/4 の 岐 _れ

_強

_さ 2039 ば向交継手も十分陸川しうるといえよう∩ 4.結 口 SM41の6mm鋼板により表衷1侶ずつのユニオンメルト溶接し た突合せおよび直交継手の放れ強さ(N=2×106)を片振引駐荷重の もとで調べた結果以￣￣Fのことがわかった｡ (1)直交継手の疲れ強さは12kg/mm2となり,実合継手の 15kg/mm2に対して20%の強度低下を示している｡ (2)直交部のピード余盛りを除去すれば,疲れ強さは20kg/ mm2になり67%の強度増大が得られる｡この値は実合継 手の余盛りを除去した場合とほぼ等しいものである｡した がって,直交溶接による残留応力ほ応力集中部がなければ ほとんどきかないといえる｡ (3)ノ.柑;加熱により直交部のリl張残留応力を軽減すると疲れ強 さほ25%上昇し,突合継手と等しい15kg/mm2が得られ た｡また直交部け面に【こl]形板を当てて溶接すると疲れ強さ は13kg/mm2といくぷん上昇する｡ 終わりに臨み,本研究に対しご助言とご協力をいただいた口￣i二仁製 作所国分Ⅰ二場米沢牒長,内藤課長,山田氏その他関係各位に厚く感 謝の意を表するとともに,実験に協力された日立製作所日立研究所 桃口￣1召∧にお礼小しあげる∩ 参 背 丈 献 Ⅴ.Ⅰ.Trufyakov:Brit.Weld.Jリ5,11(Nov.1958)491 L.D.Hall,E.R.Parker:Weld.J.,25,8(Aug.1946)421s 西岡,大内l刀:口立評論45,6(昭38-6)21 T.R.Gurney,L.N.Trepka:Brit.Weld.J.,る,10(Oct. 1959)491

紹

介

∈蚕]

_一叫す

♪ 沢 幡 左程 治 の _{端 子}

接

_続

_装

_置

8の他の面へ接触する接触板12′を設けてあり,油圧源から通油管 14を通してベロl一ズに肝油を供給することによって,両端子導体 4,8を接触板12,12′rヱ1】に挟圧して接続を完了する｡またボルト 17ほその両端にボルト18に枢着されているレバー19,19′が取り 付けてあり,/ミネ21の張力によって切欠満16に係合しているが, l■l■川.主十導体の取り外しに際しては,まずベローズ13,13′内の仙圧 な低￣Fまたは除去し,接触板12,12′の接触圧力を除去し,次にボ ルト17に設けらjtたエー金20を引出撹作により切欠子持16から蛋白線で 示した位間に【上州転柁作することによって電気炉の端子導体4を変圧 芥の二次側邦吉了僧体8から簡単に取り外すことができる∩ このように本案によjtば接続および触り外し操作を簡単にし,変 ｢￣E一器および電気炉の利用率を高め,かつ油圧操作により接触圧ノJを 必要に応じて高めることもできる｡ (小 島) 〃 2￠ 川

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