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溶接のおける残留応力(residual stress)と変形(deformation) 忘れたらアカン ものづくり

マーシーです。

ここでは、溶接のおける残留応力と変形について述べます。

溶接によって、材料は局部的に吸熱、急冷されますので、吸熱時の高温での塑性変形、冷却時の収縮、場合によっては相変態が生じます。これらにより残留応力や変形が生じます。

◆残留応力の低減
溶接部の残留応力は、悪い影響を及ぼす場合が多いので、なるべく少ないのが望ましいです。溶接加工にあたっては、収縮力が大きい継手を先に溶接して、十分に収縮させてから次の溶接を行います。

また、溶接前に十分な予熱を行っておけば、溶接部の冷却速度が遅くなるので、残留応力を防ぐのに有効です。残留応力が残る場合、これを緩和する方法としては以下のものが考えられます。
(1)応力除去焼きなまし(SR)を行います。
(2)低温応力緩和法(溶接線の両側を、約200℃に加熱した後急冷します)を適用します。
(3)ショットピーニング等を施工し、溶接部表面を機械的に変形させます。

いずれの場合も残留応力が作用する部分に、塑性変形を起こさせることにより応力緩和を図るものです。

◆溶接変形の低減
溶接による変形を少なくする方法としては、
(1)外的な拘束を与えて溶接。
(2)あらかじめ変形量を予測して、その変形と逆の変形をあらかじめ与えておいて溶接(逆ひずみ法)
(3)開先を考慮するなどして、溶接部に与える熱量をなるべく少なくかつ均等になるようにする。
などの方法があります。




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溶接による接合法  忘れたらアカン、ものづくり

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は、溶接による接合法について、少し記します。


■溶接による接合法について、材料の性質から考えましょう。


材料の接合は、次の二種類が考えられます。
(1) 化学的結合
   化学的結合による原子間引力、つまり共有結合、イオン結合、金属結合
  などの強い結合力が、基本的なメカニズムとなっている溶接・接合です。
  一般的には、溶融接合、液相-固相接合、固相-固相接合、気相-固相接合
  等があります。
  
(2)分子間力
   ファン・デル・ワールス力による結合や水素結合のような弱い結合力
  が基本となっている接着をいいます。
   同種、あるいは異種材料どうしが接合するかしないかは、物質を構成
  する元素の組合せによって決まっていますので、量子論的化学結合や
  熱力学的に説明できます。すなわち,材料の組合せにより、接合するも
  のとしないものは、材料固有の性質として決まっています。
  
 もちろん、大気中での溶接・接合には、材料本来が持つ性質を十分には
生かせません。金属の表面には、酸化膜や空気中のガス、水分、有機物など
の吸着層が存在しています。接合する界面での原子大きさのオーダの凹凸も
接合効率を低下させます。これらの阻害要因を、色々なのプロセスで除去し、
材料間に強い化学結合を効率よく達成させる方法が溶接・接合法になります。
 






テーマ : ものづくり
ジャンル : ビジネス

溶接継手に加わる荷重の種類と溶接継手の強度 忘れたらアカン ものづくり

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は、溶接継手に加わる荷重の種類と溶接継手の強度 について述べます。



■溶接継手に加わる荷重
  溶接継手に負荷される荷重は、次の3種類に分類されます。
 (1)静的荷重:一定の荷重が使用する期間を通じて定常的に付加される
         荷重。タンクや建築構造物等に付加される荷重が相当し
         るます
         付加される荷重に変化があっても、その回数が少ない時
         や一時的なものである場合は静的荷重として考えます。
         
 (2)繰返し荷重:同程度の大きさの荷重が繰返して付加される場合をい
          います。運動する機械部品や走行する車体が受ける
          荷重で、使用期間を通じて数千万回に及ぶものをいい
          ます。繰返し荷重によって機械や構造物には疲れ破壊
          を生じます。
          静的に加わる荷重よりはるかに小さい荷重で破壊する
          ので注意が必要です。

 (3)衝撃荷重:負荷が加わる速度が著しく早い荷重。荷重が衝撃的に
         付加されると溶接された鋼構造物はぜい性破壊する場合
         があります。

         
■単純な溶接継手の静的強度
  溶着金属の静的強度は使用した溶接棒の種類、雰囲気の条件によって異
 なりますが、軟鋼の溶接では、母材と同程度の強度と考えます。

 (1)突合せ継手:突合せ溶接の場合は、溶着金属ののど厚を基準にとり、
          余盛りの部分は強度計算に含みません。
          肉厚が異なる部材の突合せ継手の場合は、薄い方の板
          厚をのど厚とします。
          
          溶接線に直角方向の引張荷重に対する静的破断強度は
          次式によります。
          
             P=fal
                  ここで、f;溶着金属の破断強度
                      a;溶着金属ののど厚
                      l;溶接線の長さ
  
 (2)すみ肉継手:T継手や重ね継手などで、すみ肉溶接された部分の強さ
          はすみ肉ののど厚によって決定されます。すみ肉の大き
          さは通常脚長で現されるが、のど厚は脚長の70%
          (=1/√2)に相当します。
          すみ肉溶接の場合も、余盛りや溶け込みは強度計算に含
          みません。但し、自動溶接で深い溶け込みが確実に得ら
          れるときは、設計強度計算の際、溶け込みを考慮して見
          かけののど厚を減らす場合もあります。
          すみ肉溶接の静的強度は、全面すみ肉と側面すみ肉で異
          なります。前面すみ肉の場合は、のど厚断面あたりの静
          的破断強度は突合せ溶接の90%位であるが、側面すみ
          肉溶接の静的破断荷重は、作用する荷重がせん断荷重に
          なるので、突合せ溶接の60%位の強度になります。

          
■すみ肉溶接継手の強度計算
  溶接継手は溶接構造物の形状の応じて色々な種類を取り得ます。従って、
 材料力学的に継手部分に発生する応力を計算して、その破壊強さを推定する
 必要があります。
  静的強度の検討では、通常ビード形状などの複雑さによって生じる部分的
 な応力集中は考えないで、平均応力のみを考えます。
  溶接部の応力計算はのど厚が基準となるが、すみ肉溶接継手に曲げが加わ
 る場合はのど厚断面45°だけ回転して、その位置で計算するのが慣習に
 なっています。

  これについては、詳細はブログで示すのは難しいので、別途今後開設予定
 のホームページで示そうと思います。
 
  
                         
                       
  
         
         

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溶接継手の種類 忘れたらアカン ものづくり

忘れたらアカン ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は、溶接継手の種類 について述べます。



 溶接継手は、構造物の形状や、板厚、材質、溶接方法によって色々な
種類のものが使用されています。

■接合形式による分類
  図に示すように、突合せ継手、重ね継手、かど継手、へり継手、
 T継手などがあります。

無題



■開先形状による分類
  通常、溶接の際接合面を完全に融合させるために板の縁を斜めに削
 って開先を取ります。 図に示すように、開先を取るものとしてはその
 開先形状から、I形、V形、X形、レ形、K形継手などがあります。
  また、すみ肉継手では開先を取る必要はないが、T継手、重ね継手が
 これらに該当します。

開先


 
■溶接線による分類
  すみ肉溶接の場合は、全線を溶接する 連続溶接と、断続的に溶接
 する断続溶接があります。



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溶接継手の種類 忘れたらアカン ものづくり

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は、溶接継手の種類について述べます。

溶接継手は、構造物の形状や、板厚、材質、溶接方法によって
各種使用されています。

■溶接形式からの分類
  突合せ継手、重ね継手、かど継手、ヘリ継手、T継手など
 があります。
  
■開先形状からの分類
  すみ肉溶接を除き、通常は接合面を完全に溶け込ませるため
 に板の縁を削って開先と呼ばれる形状にします。開先形状は、
 I形、V形、X形、レ形、K形継手などがあります。
  また、開先を取らないすみ肉継手ではT継手、重ね継手など
 があります。
  
■すみ肉溶接での分類
  すみ肉溶接では、全線を溶接する連続溶接と、断続的に溶接
 する断続溶接とがあります。
  

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溶接継手のぜい性破壊    忘れたらアカン ものづくり

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は、溶接継手のぜい性破壊 について述べます。

 溶接構造物は、静的荷重による著しい変形あるいは破損、繰り返し
荷重による疲れ破損、衝撃に対するぜい性破壊などの危険性に対して
長期にわたり保証する必要があります。

  変形や疲れ破損は、応力計算、剛性計算により、応力を一定限界内
におさえて防止することができます。一方ぜい性破壊についてはこの
ような計算による防止法がありません。従って、溶接構造物においては、
鋼材の選定はぜい性破壊に対する敏感性をもとにして行う必要があります。


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アルミ合金の溶接性   忘れたらアカン ものづくり

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は、アルミ合金の溶接性について述べます。

 アルミ合金は、低合金鋼やステンレス鋼と比較して、融点や熱膨張係数、

化学的活性が大きく異なります。したがって、アルミ合金の溶接性は低合

金鋼やステンレス鋼とは大きく異なります。
 
 
■溶融温度と熱伝導度

 アルミ合金は融点が低く、溶融し易いように考えられますが、アルミ合金

の比熱や溶融潜熱は、他の金属よりたいていは大きく、また熱伝導も良い

ので、鋼の5倍も熱が逃げ易くなります。したがって局部加熱が困難で、

多量の熱を供給しないと溶融しません。
 
 
■酸素との化合性

 アルミ合金は酸素と化合し易く、空気中では短時間で酸化膜を生成します。

生成した酸化膜は溶接に際して母材と溶加材との融合を妨げます。
 
 
■ガスの吸収

 アルミ合金は、溶融すると水素の溶解度が大きく、凝固時にブローホール

生成の原因になり易いです。
 
 
■熱膨張、熱収縮

 熱膨張係数が約鋼の2倍と大きく、凝固収縮率も大きいので、溶接による

変形が生じ易くなります。 また、合金の種類によっては凝固割れが生じ

易くなります、





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ステンレス鋼の物理的性質と溶接 忘れたらアカン ものづくり

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は、ステンレス鋼の物理的性質と溶接性 について考えて見ましょう。


 ステンレス鋼の物理的性質は炭素鋼とはかなり異なります。

物理的性質については表を参照してください。

 その物理的性質の差異により、溶接上の問題に対する配慮が必要になります。

 

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低水素系被覆アーク溶接棒の使い方の注意

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は、低水素系被覆アーク溶接棒の使い方 について考えて見ましょう。


■被覆アーク溶接棒の乾燥

 溶接金属中に溶解水素量が増加すると、溶接部に割れが発生しやすくなります。
 
 溶解水素の主な供給源は、被覆剤中の有機物や被覆剤の吸湿による水分となり

ます。水分は作業性や溶接の健全性に悪影響を与え、気孔やピットなどの溶接欠陥

の原因になります。

 溶接棒は被覆剤中の水分を除去するために、製造の際に被覆剤の成分が変質しない

範囲の高温で乾燥を行っています。低水素系溶接棒の被覆材は無機物なので高温で

乾燥でき、溶接金属中の水素含有量を低下させることができます。しかし、乾燥固化後

の被覆剤の水ガラスはゲル状になっていますので、吸湿性があります。そのため、

低水素系溶接棒は製造して出荷後溶接作業に使用されるまでの間に被覆剤は再度水分を

吸収することになります。従って、低水素系溶接棒に限りませんが、溶接棒は種類に

応じた再乾燥を適切な温度、時間で実施しなければなりません。
 

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溶接における鋼の切欠きじん性とは   忘れたらアカン ものづくり

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は、溶接におけるの鋼の切欠きじん性について書きます。



■切欠きじん性とは

 切欠きじん性は、広義には切欠き試験片の破壊にたいする抵抗特性を意味

しますが、狭義にはVシャルピー吸収エネルギーをいいます。

 軟鋼及び低合金鋼の切欠きじん性に影響する因子は、化学成分、冶金的組織

と結晶粒度及び冷間加工度と時効などがあります。以下に具体的に示します。



■化学成分

 鋼中のC量を下げ、Mn量を高めることにより、切欠きじん性は一般に向上

します。すなわち、Mn/C比を増すほど遷移温度は低くなります。

 切欠きじん性を高める合金元素は、Mnの他、Ni、Al、Ti等があります。

逆に切欠きじん性を低下させる合金元素は、C、P、S等があります、

 Niの効果は、鋼の素地の塑性変形を容易にして、微視的な局部応力の増加を

抑制することによります。

 この他の合金元素については、

Siは0.2%程度まではじん性を向上させるが、それ以上ではかえって低下する

といわれます。

Cu、Crについては、約0.5%以上ではじん性を低下させます。

ガス成分(OやN)は一般に、じん性に悪い影響があります。

但し、微細に分散した窒化物(AlN、TiN)は切欠きじん性を向上させます。    


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