溶接残留応力

溶接残留応力とは、溶接プロセス中の拘束された熱変形により溶接構造内に発生する内部応力を指します。特に溶接金属の溶融、凝固、冷却収縮時に拘束により大きな熱応力が発生し、残留応力の主成分となります。対照的に、冷却プロセス中の金属組織の変化によって生じる内部応力は、残留応力の二次的な要素です。構造の剛性が高く、拘束の度合いが高いほど、残留応力も大きくなり、その結果、構造の耐荷重能力に対する残留応力の影響が大きくなります。この記事では、主に溶接残留応力が構造に及ぼす影響について説明します。

溶接残留応力が構造物や部品に及ぼす影響

溶接残留応力は、外部荷重を受ける前でもコンポーネントの断面に存在する初期応力です。コンポーネントの耐用年数の間、これらの残留応力は外部荷重によって引き起こされる作動応力と結合し、二次変形と残留応力の再分布を引き起こします。これは、構造の剛性と安定性を低下させるだけでなく、温度と環境の複合的な影響により、構造の疲労強度、耐脆性破壊性、耐応力腐食割れ性、高温クリープ割れ性にも大きな影響を与えます。

構造剛性への影響

外部荷重による応力と構造の特定領域の残留応力の組み合わせが降伏点に達すると、その領域の材料は局所的な塑性変形を起こし、さらなる荷重に耐える能力を失い、有効断面積が減少します。面積、そして結果として構造の剛性。たとえば、縦方向および横方向の溶接部 (I ビームのリブ プレート溶接部など) や火炎矯正を受けた構造物では、大きな断面で重大な残留引張応力が発生する可能性があります。コンポーネントの長さに沿ったこれらの応力の分布範囲はそれほど広くないかもしれませんが、剛性に対する影響は依然として大きい可能性があります。特に、広範囲の火炎矯正を受けた溶接梁の場合、荷重中の剛性の顕著な低下と除荷中の反発の減少が見られる可能性があり、寸法精度と安定性に対する高い要件が求められる構造ではこれを見逃すことはできません。

静荷重強度への影響

塑性変形できない脆性材料の場合、外力が増加すると部品内の応力を均一に分散できなくなります。応力ピークは材料の降伏限界に達するまで上昇し続け、局所的な破損を引き起こし、最終的にはコンポーネント全体の破壊につながります。脆性材料に残留応力が存在すると、耐荷重能力が低下し、破壊につながります。延性材料の場合、低温環境下で三軸の引張残留応力が存在すると、塑性変形の発生が妨げられ、その結果、部品の耐荷重能力が大幅に低下する可能性があります。

結論として、溶接残留応力は構造物の性能に大きな影響を与えます。合理的な設計とプロセス制御により残留応力が軽減され、溶接構造の信頼性と耐久性が向上します。