溶接継手の疲労強度を向上させる方法

1. 応力集中の低減

疲労亀裂は、溶接継手や構造物の応力集中部から発生する。こうした応力集中を取り除いたり低減させたりする措置を講じれば、疲労強度を高めることができる。

堅牢な構造形式を採用する

• 突合せ継手を優先し、重ね継手は最小限に抑えること。可能な場合は、重要な構造部におけるT字継手やコーナー継手を突合せ継手に置き換え、溶接部をコーナーから遠ざけること。T字継手やコーナー継手を避けられない場合は、完全溶込み溶接を行うこと。.
• 偏心荷重は避けること。内部応力は、二次応力を生じさせることなく、スムーズに流れ、均一に分散されるべきである。.
• 厚さや幅が著しく異なるプレートが接合する箇所では、緩やかな移行部を設けてください。鋭角な角や曲がり部分には、十分な半径を設けてください。.
• 3か所の溶接が交差する箇所は避けること。溶接部は応力集中領域から遠ざけ、主引張部材への横方向の溶接は避けること。やむを得ない場合は、内部および外部の品質を高く保ち、溶接根部の応力集中を最小限に抑えること。.
• 重要な構造物において、片面突合せ溶接の背面に恒久的な裏打ち材を残してはならない。各区間の始端と終端には応力が集中するため、断続的な溶接は避けること。.

動的荷重や低温環境下で使用される構造物は、室温で静的荷重を受ける構造物よりも、より綿密な詳細設計が必要となる。.

溶接形状と品質の管理

突合せ溶接による補強は可能な限り小さくし、溶接部は平らに削るか、面取りして溶接面を平らにするのが望ましい。T字接合部では、凸型の隅肉溶接ではなく、凹型の隅肉溶接を用いる。溶接トウ部では滑らかな移行を確保し、必要に応じて研磨またはTIG再溶融を行う。.

溶接欠陥はすべて、何らかの応力集中を引き起こします。平面欠陥（き裂、溶込み不足、溶着不良、アンダーカットなど）は、疲労強度に最も大きな影響を与えます。すべての溶接部は、作業が容易で確実に施工できるよう設計し、許容限界を超える欠陥はすべて除去してください。.

2. 残留応力場の調整

残留圧縮応力は疲労強度を高める一方、残留引張応力はそれを低下させる。溶接順序を変更したり、局所的な加熱を行ったりすることで、表面に好ましい圧縮応力分布や応力集中を形成することができる。.

I形鋼の突合せ継手では、突合せ溶接1が最大の曲げ応力を受ける。フィレット溶接3の両端を短い長さだけ溶接せずに残し、溶接1を完了させてから、ウェブの突合せ溶接2を完了させる。溶接2の収縮により、溶接1は残留圧縮状態となる。 最後に、フィレット溶接3の未溶接部分を溶接する。その収縮により、溶接1と溶接2の両方が残留圧縮状態となる。 試験の結果、この順序では、溶接継ぎ目1の前に継ぎ目2を溶接した場合と比較して、疲労強度が30%向上することが示された。縦方向の溶接で接合されたガセットプレートの場合、溶接端付近のノッチに適切に位置決めしたスポット加熱を行うことで、集中部に有益な残留圧縮状態を作り出すことができる。.

圧延、ハンマー打ち、またはショットピーニングによる表面変形強化も、接合面を塑性変形させて硬化させ、残留圧縮応力を生じさせることで、疲労強度を向上させることができる。.

3. 接合部の微細構造と特性の改善

母材および溶接金属の固有の耐疲労性を向上させるには、材料と溶接ワイヤの両方において冶金学的品質を高め、介在物を低減させる必要があります。実用的な範囲で、接合部熱処理を行うことで良好な微細組織を形成し、強度、延性、靭性、および耐疲労性を向上させることができます。.

強度、延性、および靭性は、バランスが取れていなければならない。強度は破断に抵抗するが、高強度の材料はノッチの影響を受けやすい。 延性は変形エネルギーを吸収し、応力ピークを低減し、高い応力を再配分するとともに、ノッチや亀裂の先端を鈍化させることで、亀裂の進展を遅らせたり停止させたりする。延性によって強度が効果的に活用されるため、延性と靭性を高めることで、高強度アルミニウム合金接合部の疲労耐性を著しく向上させることができる。.