8. 薄板鋼板のスポット溶接継手における疲労強度推定に関する研究

8. 薄板鋼板のスポット溶接継手における疲労強度推定に関する研究
52113410 小宮賢太
1.
研究目的
を事前の実験で確認している。
自動車用外板は，複雑な三次元形状に加工するために伸び
性能が非常に大きい材料が用いられ，軽量化のため薄肉化，
3.
高強度化が進んでいる。さらに，車体も強度部材として考慮
されるようになり，1 つの車体に様々な強度や特性を有する
3.1 繰返し引張力が作用する場合の疲労強度
溶接部に繰返し引張力が作用する場合の疲労試験結果を，
鋼種が適用されている。また，複数箇所にスポット溶接した
図 2 に示す。なお，この図には，それぞれの鋼種において，
場合の疲労強度については検討されていない。よって，これ
1 箇所でスポット溶接した場合と，2 箇所でスポット溶接し
ら外板の疲労強度を把握することは重要な課題である。
た場合を示している。また，このグラフの縦軸は載荷した荷
スポット溶接継手の疲労試験は，JIS で規定されており，
スポット溶接継手部の疲労強度と亀裂発生寿命
重範囲で示している。図 2 より，疲労強度についてみると，
破断判定も記述されているものの，溶接部に発生した疲労亀
溶接継手が 2 箇所の方が 1 箇所よりも約 1.5 倍大きいことが
裂の検知法が記述されておらず目視による検知を想定して
わかる。また，伸びの相違の影響は，ほとんど認められない。
いるものと考えられ，亀裂伝播経路や破壊形態による分類評
疲労寿命についてみると，溶接継手が 2 箇所の方が 1 箇所よ
価も規定されていない。
りも寿命が数倍から数十倍長寿命であることがわかる。また，
そこで，本研究では，伸び性能が異なる 2 種類の鋼板を用
いてスポット溶接し，溶接継手の疲労強度におよぼす鋼材の
伸びの相違の影響は，伸びが小さい SPCC 鋼の方が大きい
SPCE 鋼よりも数倍程度長寿命であることがわかる。
伸び性能の影響について明らかにすることを目的とした。ま
表１
た，複数スポット溶接された場合の溶接継手の疲労強度につ
プログラムを用いて，疲労寿命をシミュレートし，実験と解
SPCC
降伏応力
(MPa)
262.0
析結果を比較することで，スポット溶接継手の疲労寿命推定
SPCE
152.5
いても調査を実施した。さらに， FLARP(Fatigue Life
鋼種
供試鋼板の機械的性質
Assessment by RPG load)解析法の考え方を導入した Calcrack
1)
引張強さ
(MPa)
354.9
ヤング率
(GPa)
203.7
伸び
(%)
37.0
308.1
206.7
52.7
の可能性について検討した。
ひずみゲージ
2．スポット溶接継手の疲労試験概要
ナゲット
供試鋼板は JIS で規定された一般用軟鋼(SPCC)と深絞り用
軟鋼(SPCE)の 2 種類の市販されている鋼板であり，共に板厚
1.2mm である。JIS-5 号試験片を用いた静的引張試験より得
たこれらの鋼板の機械的性質を，表 1 に示す。
スポット溶接継手は，JIS Z 3138 で規定されているスポッ
ト溶接部に引張力が作用する十字引張型の試験片(以下 CT
(単位:mm)
型試験片と呼ぶ)とスポット溶接部に引張せん断力が作用す
る引張せん断型の試験片(以下 TS 型試験片と呼ぶ)を作成し
(a)
1 箇所で溶接した
場合の CT 型試験片
(b)
1 箇所で溶接した
場合の TS 型試験片
た。また，CT 型試験片と TS 型試験片は，溶接箇所が 1 箇所
の場合の他に，2 箇所の場合の試験片を作成して，疲労試験
ひずみゲージ
を実施した。CT 型試験片，および TS 型試験片の形状とひず
みゲージ貼付位置を，図 1 に示す。なお，CT 型試験片は専
用の冶具を作成して，TS 型試験片は油圧チャックで疲労試
ナゲット
験機に取り付けた。
疲労試験は，パソコンでデジタル制御された 50kN 電気
サーボ式疲労試験機を用いて，引張 sin 波の一定振幅荷重を
載荷速度 10Hz，応力比(R)0.1 で行った。試験片に負荷する荷
重範囲は，溶接継手の静的引張試験を行い，疲労試験時の最
大荷重が破断荷重の 80~10%の範囲で設定した。
(単位:mm)
本試験での疲労寿命は，本研究室の疲労亀裂のモニタリン
グ研究 2)において開発されたひずみ範囲変化率を用いて，薄
板鋼板のスポット溶接継手用に改良した 5％Drop 法による
判定法を用いた。なお，疲労亀裂未発生の溶接継手のひずみ
範囲が 5％低下した時点で，継手に疲労亀裂が発生したこと
(c)
2 箇所で溶接した
場合の CT 型試験片
図１
(d)
試験片形状
2 箇所で溶接した
場合の TS 型試験片
溶接部の疲労破壊形態については，ほとんどがボタン型の
破壊であったが，亀裂がナゲットの一部を進展した場合とナ
果であった。しかし，高応力の場合は解析原理により亀裂先
端が全塑性と判定され，解析できなかった。
ゲット円周部を進展して破壊した場合があった。また，低応
力の場合，ナゲット端部に発生した疲労亀裂が試験片板圧貫
5．結論
通後板幅方向に進展した場合や，ナゲット部に生じたチリが
本研究で得られた結果は，次のとおりである。
原因で亀裂が分岐した場合が確認された。
スポット溶接部に繰返し引張力が作用する場合，溶接部 1
箇所あたりの強度は溶接数に比例して 2 倍とはならないも
3.2 繰返し引張せん断力が作用する場合の疲労強度
引張せん断型試験片の疲労試験結果を，図 3 に示す。なお，
のの，寿命は数倍から数十倍も増加することがわかった。ま
この図には，それぞれの鋼種に 1 箇所でスポット溶接した場
なかった。
た，伸びの相違の影響は，疲労強度，疲労寿命共に認められ
合と，荷重作用軸に対して直列に 2 箇所でスポット溶接した
溶接部に繰返し引張せん断力が作用する場合，直列に溶接
場合を示している。また，このグラフの縦軸は載荷した荷重
した場合の溶接部 1 箇所あたりの疲労強度は，溶接数が増え
範囲で示している。図 3 より，疲労強度についてみると，溶
ても同等であり，疲労寿命は数倍から数十倍以上も増えるこ
接継手が 2 箇所の方が 1 箇所よりも 2 倍ほど大きいことがわ
とがわかった。また，伸びの相違の影響は，伸びが小さい
かる。また，伸びの相違の影響は，伸びが小さい SPCC 鋼の
SPCC 鋼が大きい SPCE 鋼よりも強度が高く，寿命が長いこ
方が大きい SPCE 鋼よりも疲労強度がわずかに大きいことが
とが明らかとなった。
わかる。疲労寿命についてみると，溶接継手が 2 箇所の方が
FLARP の理論を用いた Calcrack プログラムによる解析
1 箇所よりも寿命が数倍から数十倍以上長寿命であるとわか
は，低応力の場合は，亀裂発生寿命とよく一致しており，わ
る。また，伸びの相違の影響は，伸びが小さい SPCC 鋼の方
ずかに安全側の結果であった。しかし，高応力の場合は，亀
が大きい SPCE 鋼よりも数倍長寿命であることがわかる。
裂先端が全塑性と判定されて解析できなかった。
には，ナゲットに発生した疲労亀裂が試験片板厚貫通後，板
幅方向に進展したものがあった。
2000
●：1spot SPCC
▲：1spot SPCE
○：2spots SPCC
△：2spots SPCE
1500
1000
500
0 3
10
3.3 スポット溶接部の亀裂発生寿命
スポット溶接部に繰返し引張力が作用する場合と繰返し
Cyclic Loading Range ⊿F (N)
んどはボタン型の破壊であった。ただし，低応力の試験結果
Cyclic Loading Range ⊿F (N)
溶接部の疲労破壊形態については，高応力の一部の試験結
果においてナゲットが完全に剥離破壊しているものの，ほと
10
4
10
5
10
6
10
6000
5000
4000
3000
2000 ●：1spot SPCC
▲：1spot SPCE
1000 ○：2spots SPCC
△：2spots SPCE
0 2
10
7
10
Number of cycles N (cycle)
図２
引張せん断力が作用する場合の，5％Drop 法により判定され
3
10
4
10
5
10
6
10
7
Number of cycles N (cycle)
CT 型試験片の
疲労試験結果
図３
TS 型試験片の
疲労試験結果
に関わらず，いずれの鋼材も荷重範囲が小さくなるほど寿命
が増加することがわかる。
図 5 より，溶接部に繰返し引張せん断力が作用する場合，
溶接部が 1 箇所であると，伸びが小さい SPCC 鋼は荷重範囲
1500
1000
500
0 3
10
亀裂の発生から成長までをシミュレートできる疲労寿命推
定法である。本解析では，この FLARP 解析法の考え方を用
いた Calcrack プログラムを用いて，スポット溶接部の疲労寿
命について解析を行った。
図 6(a)に溶接部に繰返し引張力が作用する場合の数値解
析結果を，図 6(b)に溶接部に繰返し引張せん断力が作用する
場合の数値解析結果を示す。なお，グラフの縦軸は載荷した
荷重範囲で示している。また，スポット溶接が 1 箇所の場合
の破断寿命と溶接部の亀裂発生寿命の疲労試験結果も示し
ている。図 6 より解析結果は，いずれの場合も低応力の場合
は，亀裂発生寿命とほぼ一致しており，わずかに安全側の結
Cyclic Loading Range ⊿F (N)
る。溶接部が 2 箇所であると，荷重範囲が変化しても伸びの
FLARP 解析法は，亀裂先端の弾塑性挙動を考慮して疲労
4
図４
SPCE 鋼は荷重範囲によらず寿命の変化が少ないことがわか
4．Calcrack シミュレーションによる疲労寿命推定
10
10
5
10
6
10
破断
5%
解析
800
600
4000
3000
2000
1000
10
5
SPCC SPCE
○
○
□
□
◆
◆
10
6
CT 型の解析結果
図６
10
4
10
5
10
6
10
7
10
7
TS 型試験片の
疲労亀裂発生寿命
6000
5000
4000
破断
5%
解析
SPCC SPCE
○
○
□
□
◆
◆
5
6
3000
2000
1000
0 2
10
10
3
10
4
10
10
10
7
10
Number of cycles N (cycle)
Number of cycles N (cycle)
(a)
3
図５
200
4
10
Number of cycles N (cycle)
400
10
●：1spot SPCC
▲：1spot SPCE
○：2spots SPCC
△：2spots SPCE
5000
CT 型試験片の
疲労亀裂発生寿命
1000
0 3
10
6000
0 2
10
7
Number of cycles N (cycle)
が小さくなると寿命が増加しているものの，伸びが大きい
差によらず寿命の変化が少ないことがわかる。
●：1spot SPCC
▲：1spot SPCE
○：2spots SPCC
△：2spots SPCE
Cyclic Loading Range ⊿F (N)
図 4 より，溶接部に繰返し引張力が作用する場合，溶接数
2000
Cyclic Loading Range ⊿F (N)
このグラフの縦軸は載荷した荷重範囲で示している。
Cyclic Loading Range ⊿F (N)
た亀裂発生寿命の結果を，それぞれ図 4，図 5 に示す。なお，
(b)
TS 型の解析結果
Calcrack による解析結果
参考文献
1) 豊貞雅宏，丹羽敏男：鋼構造物の疲労寿命予測，共立出版，2001
2) 高塚恭兵，勝田順一，河野和芳：鋼構造物溶接継手部からの疲
労損傷の検知とその評価，日本船舶海洋工学会講演会論文集，
第 13 号，2011，pp53-56
3) 和田眞禎，才木隼，甲木里沙，勝田順一：鋼材の伸び性能が疲
労き裂伝播に及ぼす影響，日本船舶海洋工学会講演会論文集，
第 13 号，2011，pp57-58
8

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