溶接継手の残留応力および固有変形に及ぼす試験片寸法の影響 大阪大学 ○村川 英一、袁 華 Blandon Juan、Gadallah Ramy 大阪大学大学院 Influence of Specimen Size on Welding Residual Stress and Inherent Deformation by MURAKAWA Hidekazu, YUAN Hua, BLANDON Juan and GADALLAH Ramy キーワード：試験片寸法、平均温度上昇、相変態、残留応力、固有変形、有限要素法 Keywords: specimen size, average temperature, phase transformation, residual stress, inherent deformation, FEM １．緒言 高張力鋼の導入については各種構造物の軽量化に効果が期待されているが、静的強度と比較 して溶接継手の疲労強度に関しては大幅な効果が認められないと言う問題がある。溶接継手の 疲労強度が母材部と比較して低い原因は応力集中と溶接残留応力であり、残留応力を改善する 手段として低変態温度溶接材料の適用が提案され、その 効果が実験により確認されている。一方、疲労試験では 試験機の能力の制約から小型試験体が用いられる場合が 多い。小型試験体の場合、力学的な拘束および溶接時の 熱履歴が実構造継手と異なると考えられるので、これら の溶接残留応力および変形に及ぼす影響を明らかにする ために熱弾塑性有限要素法(JWRIAN)を用いた計算を実 施した。Fig.1 は両端が拘束された棒の一部に熱履歴が与 えられるという単純なモデルを用いて残留応力に及ぼす 拘束の影響を示したものであり、拘束が大きい(L2/L1 が 小さい)時に、通常溶接材料では大きな引張残留応力引張 残留応力が、LTT 溶接材料では圧縮の残留応力が発生 し、その絶対値は拘束の低下に伴い減少する。 Fig. 1 Influence of restraint on welding residual stress. 600 500 Temperature (℃) Size: 200×75×10 mm3 Tavg. = 501.57 oC Average temperature (oC) 600 400 300 Average temperature 500 400 300 200 100 200 0 0 20 40 60 80 100 Time (sec) 100 0 Size: 200×200×30 mm3 Tavg. = 110.12 oC z x y Fig. 2 FE models for computation. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Specimen cross-section area (mm2) Fig. 3 Relation between specimen size and average temperature. ２．計算モデル 溶接残留応力および変形に対する試験片寸法の影響を明ら かにするため、Fig. 2 にその一部が示されているように、長 さは 200 mm で一定とし、幅が 75、100、150、200 mm、 板厚が 10、20、30 mm と異なるモデルを対象に計算を行っ た。溶接入熱は 2167 J/mm、溶接速度は 3 mm/s とし各モデ ルの断面積と平均温度上昇の関係を示したものが Fig. 3 であ る。また、溶接材料としては冷却時のマルテンサイト変態開 始温度 M s と終了温度 M f の平均値である M c が、650、400、 300、200、100℃の５種類を想定した。Fig. 4 はこれらの材料 Fig. 4 Materials used for computation. が拘束の無い状態で熱履歴を受ける場合の伸びと温度の関係 を示したものである。 1200 800 600 400 200 0 -200 70 80 90 100 110 120 Mc = 650 oC 1000 Residual stress, σx (MPa) Residual stress, σx (MPa) 1200 Tavg. = 501.57 oC Tavg. = 396.22 oC Tavg. = 334.05 oC Tavg. = 264.38 oC Tavg. = 188.52 oC Tavg. = 140.14 oC Tavg. = 110.12 oC Mc = 100 oC 1000 130 -400 -600 800 600 400 200 0 -200 70 80 90 -400 -600 -800 -800 -1000 -1000 Distance in y-direction (mm) 100 110 Tavg. = 501.57 oC Tavg. = 396.22 oC Tavg. = 334.05 oC Tavg. = 264.38 oC Tavg. = 188.52 oC Tavg. = 140.14 oC Tavg. = 110.12 oC 120 130 Distance in y-direction (mm) Fig. 5 Distributions of longitudinal residual stress. ３．計算結果および考察 Fig. 5 は、変態温度が最も低い M c= 100 ℃および変態温度が最も高い M c= 650 ℃の場合を例に モデル中央の溶接側表面の溶接線方向残留応力成分の板幅方向分布を示したものである。これらの 図には平均温度上昇をパラメータに拘束の強さが残留応力に及ぼす影響も同時に示している。 まず、 M c= 100 ℃のケースに注目すると、拘束の強さにほとんど関係なく 600～700 MPa の圧縮 の残留応力が発生する。一方、 M c= 650 ℃の場合は拘束の強さすなわち平均温度上昇によって残留 ４．まとめ 全ての計算結果をまとめた図が Fig.6 で あり、一般に平均温度上昇が高くなると溶 接残留応力は低くなる。その一つの原因は 力学的拘束の影響（図中の A）であり、も う一つの原因が相変態（図中の B）であ り、平均温度上昇が高い場合には変態温度 が比較的高い材料でも LTT のように振舞い 圧縮の残留応力を発生させる。 Residual stress, σx (MPa) 応力は大きく変化し、平均温度上昇が 100～200℃と低く拘束が強い場合には残留応力は引張であ るが、平均温度上昇が 500℃と非常に高い場合には引張の残留応力の値は小さな値となる。このよ うな高い平均温度上昇は自動車の足回り部品 1200 でビード寸法に対して板厚が相対的に小さい Large restraint Small restraint 900 部位では起こり得ると考えられる。 A Without Mc=400oC transformation 600 300 Mc=650oC B Mc=300oC 0 Mc=200oC -300 -600 Mc=100oC -900 50 100 150 200 250 300 350 400 Average temperature (oC) 450 500 550 Fig. 6 Influence of transformation temperature and average temperature on residual stress.
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