(57)【要約】      （修正有）【課題】部材の持つ強度、耐荷力を無駄なく利用できる溶接条件を設定可能とする溶接条件設定方法及びその装置を提供する。【解決手段】溶接条件を設定するプログラム７と、前記溶接条件を設定する為に必要なデータベース８とが格納された記憶部３と、前記プログラムと前記データベースに基づき溶接条件を設定する制御演算部２と、溶接部材の諸元を設定入力する操作入力部６とを具備し、前記制御演算部は入力された諸元に基づき溶接する際の入熱量を演算し、諸元及び入熱量から残留応力分布を演算し、該残留応力分布から残留力を演算し、溶接部材自体が有する初期耐荷力と前記残留力に基づき耐荷力を演算し、該耐荷力と溶接部材に対する予定負荷荷重とを比較し、前記諸元が適正であるかどうかを判断する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接部材の諸元及び入熱量に基づき溶接を施工した場合の残留応力分布を演算する工程と、該残留応力分布から残留力を演算する工程と、溶接部材自体が有する初期耐荷力と残留力に基づき耐荷力を演算する工程と、該耐荷力と溶接部材に対する予定負荷荷重とを比較し、前記諸元が適正であるかどうかを判断する工程を含むことを特徴とする溶接条件設定方法。
【請求項２】
溶接部材の諸元に基づき溶接方法を選択する工程を含む請求項１の溶接条件設定方法。
【請求項３】
残留応力最大値を演算する工程を含み、前記選択された溶接方法に基づき残留応力分布又は残留応力最大値の何れかを選択して耐荷力を演算する工程を含む請求項２の溶接条件設定方法。
【請求項４】
溶接条件を設定するプログラムと、前記溶接条件を設定する為に必要なデータベースとが格納された記憶部と、前記プログラムと前記データベースに基づき溶接条件を設定する制御演算部と、溶接部材の諸元を設定入力する操作入力部とを具備し、前記制御演算部は入力された諸元に基づき溶接する際の入熱量を演算し、諸元及び入熱量から残留応力分布を演算し、該残留応力分布から残留力を演算し、溶接部材自体が有する初期耐荷力と前記残留力に基づき耐荷力を演算し、該耐荷力と溶接部材に対する予定負荷荷重とを比較し、前記諸元が適正であるかどうかを判断することを特徴とする溶接条件設定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、残留応力を考慮した溶接条件設定方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
溶接を施工した場合、溶接部には溶融金属が固化した場合に残留応力が発生する。残留応力は、圧縮応力と引張応力が釣合った状態で発生する。残留応力が生じた部材に荷重が作用した場合、例えば圧縮荷重が作用した場合、圧縮荷重により発生する圧縮応力が残留圧縮応力に加算されるので、残留圧縮応力が発生した部位は少ない圧縮荷重で許容応力を超え、或は降伏応力又は破壊応力に達してしまう。
【０００３】
この為、従来より、溶接部位を有する部材の設計では、残留応力が考慮されており、部材の持つ強度から残留応力を除去した値が、当該部材が負担し得る圧縮応力であり、又部材が荷重に対して耐え得る耐荷力とされていた。
【０００４】
ここで、考慮される残留応力としては、残留応力の最大値であり、残留応力の最大値に負荷荷重による圧縮応力（以下、負荷応力と称す）を加算したものが、所定値を超えない様に設定されていた。尚、所定値としてはオイラー（Ｅｕｌｅｒ）の座屈荷重に対応する座屈応力、又は座屈応力に安全率を考慮した応力である。
【０００５】
ところが、溶接部に発生している残留応力分布は均一ではなく、一部が最大値となっている。この為、残留応力の最大値に対応させ負荷荷重を設定した場合、残留応力と負荷応力とを加算して所定値を超えるのは、部材の一部となり、他の部分は未だ余力を残した状態である。この為、従来の溶接条件設定方法では、部材の持つ強度、耐荷力を充分に利用していないと言う問題を有していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１１１７１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は斯かる実情に鑑み、部材の持つ強度、耐荷力を無駄なく利用できる溶接条件を設定可能とする溶接条件設定方法及びその装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、溶接部材の諸元及び入熱量に基づき溶接を施工した場合の残留応力分布を演算する工程と、該残留応力分布から残留力を演算する工程と、溶接部材自体が有する初期耐荷力と残留力に基づき耐荷力を演算する工程と、該耐荷力と溶接部材に対する予定負荷荷重とを比較し、前記諸元が適正であるかどうかを判断する工程を含む溶接条件設定方法に係り、又溶接部材の諸元に基づき溶接方法を選択する工程を含む溶接条件設定方法に係り、更に又残留応力最大値を演算する工程を含み、前記選択された溶接方法に基づき残留応力分布又は残留応力最大値の何れかを選択して耐荷力を演算する工程を含む溶接条件設定方法に係るものである。
【０００９】
又本発明は、溶接条件を設定するプログラムと、前記溶接条件を設定する為に必要なデータベースとが格納された記憶部と、前記プログラムと前記データベースに基づき溶接条件を設定する制御演算部と、溶接部材の諸元を設定入力する操作入力部とを具備し、前記制御演算部は入力された諸元に基づき溶接する際の入熱量を演算し、諸元及び入熱量から残留応力分布を演算し、該残留応力分布から残留力を演算し、溶接部材自体が有する初期耐荷力と前記残留力に基づき耐荷力を演算し、該耐荷力と溶接部材に対する予定負荷荷重とを比較し、前記諸元が適正であるかどうかを判断する溶接条件設定装置に係るものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、溶接部材の諸元及び入熱量に基づき溶接を施工した場合の残留応力分布を演算する工程と、該残留応力分布から残留力を演算する工程と、溶接部材自体が有する初期耐荷力と残留力に基づき耐荷力を演算する工程と、該耐荷力と溶接部材に対する予定負荷荷重とを比較し、前記諸元が適正であるかどうかを判断する工程を含むので、部材の持つ強度、耐荷力を無駄なく利用できる。
【００１１】
又本発明によれば、溶接部材の諸元に基づき溶接方法を選択する工程を含むので、溶接部材の諸元に適した溶接方法を選択することができる。
【００１２】
又本発明によれば、残留応力最大値を演算する工程を含み、前記選択された溶接方法に基づき残留応力分布又は残留応力最大値の何れかを選択して耐荷力を演算する工程を含むので、溶接方法に応じて簡便に溶接条件の設定が行える。
【００１３】
更に又本発明によれば、溶接条件を設定するプログラムと、前記溶接条件を設定する為に必要なデータベースとが格納された記憶部と、前記プログラムと前記データベースに基づき溶接条件を設定する制御演算部と、溶接部材の諸元を設定入力する操作入力部とを具備し、前記制御演算部は入力された諸元に基づき溶接する際の入熱量を演算し、諸元及び入熱量から残留応力分布を演算し、該残留応力分布から残留力を演算し、溶接部材自体が有する初期耐荷力と前記残留力に基づき耐荷力を演算し、該耐荷力と溶接部材に対する予定負荷荷重とを比較し、前記諸元が適正であるかどうかを判断するので、部材の持つ強度、耐荷力を無駄なく利用できる溶接条件を設定することができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】溶接部に発生する残留応力を説明するグラフである。
【図２】溶接部に発生する残留応力の応力分布及び溶接方法により応力分布が異なることを示すグラフである。
【図３】本発明に係る実施例のフローチャートである。
【図４】該実施例に於けるデータベースの一例を示す説明図である。
【図５】該実施例に於けるデータベースの一例を示す説明図である。
【図６】本発明に係る溶接条件設定装置の一例を示す概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
【００１６】
図１は、説明を簡単にする為、２次元での応力分布の模式図を示している。先ず、図１を参照して、本発明の基本原理を説明する。
【００１７】
図１中、縦軸が残留応力を示しており、横軸は部材の断面中の位置を示している。図１中の＋は引張応力、−は圧縮応力を示している。又、図中、Ｅは部材が座屈を起す場合の圧縮応力を示している。
【００１８】
溶接により、部材断面に生じる残留応力分布は、中央部で残留圧縮応力σc 、周辺部で引張残留応力σt が発生する。又、図中、σcmaxを残留圧縮応力最大値とする。
【００１９】
溶接部を有する部材が外力に対して負担し得る力をＦ（耐荷力）とすると、圧縮残留応力を考慮した部材の耐荷力Ｆを計算する従来の方法としては、Ｆ＝（Ｅ−σcmax）×Ａ（Ａは部材の断面積）によって求められていた。
【００２０】
即ち、従来の方法では、最大残留応力のみが耐荷力Ｆを決定する要因であり、残留応力分布は考慮されていなかった。
【００２１】
本発明では、残留応力分布を考慮して、耐荷力を決定するものである。即ち、残留応力分布曲線の圧縮応力部分を積分し、部材断面での残留圧縮応力の総和、即ち残留圧縮力Ｆｒを演算し、部材自体が元々有する初期耐荷力Ｆｅ＝ＥＡ（Ａは部材の断面積）から残留圧縮力Ｆｒを引いたものを耐荷力Ｆとする。
【００２２】
耐荷力Ｆ＝Ｆｅ−Ｆｒ（Ｆｒ＜σcmax・Ａ）    …（式１）
【００２３】
ここで、初期耐荷重Ｆｅとしては、オイラーの座屈荷重が用いられる。
【００２４】
而して、溶接部を有する部材の耐荷力Ｆを残留応力の状態を考慮して正確に算出することができる。
【００２５】
又、溶接方法としては、レーザ溶接、アーク溶接（ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接）等種々存在し、溶接方法毎に入熱量の相違があり、又残留応力分布に相違がある。
【００２６】
図２は、残留応力分布の一例を示しており、図２中、▲のプロットで示す曲線は、アーク溶接による残留応力分布、△のプロットで示す曲線は、レーザビーム溶接による残留応力分布を示しており、縦軸は残留応力値を降伏応力値で除したもの、横軸は断面中の位置を示している。図２に示される残留応力分布は、アーク溶接に比べてレーザビーム溶接は残留応力が小さいという特徴を有している。
【００２７】
図２に示される様に、アーク溶接では、入熱量が大きい為、残留圧縮応力が大きく、レーザビーム溶接では入熱量が小さい為、残留圧縮応力が小さくなっている。
【００２８】
従来の方法であると、残留応力の最大値によって部材の耐荷力が決定されていたので、溶接方法の相違、入熱量の相違が有った場合でも、残留応力の最大値が同じであれば、同様な耐荷力が決定されており、残留応力分布とは無関係に決定されている。
【００２９】
又、従来の方法は、主にアーク溶接に対する溶接条件を設定する場合に関するものであり、アーク溶接についての条件設定をする場合は、特に問題はなかった。
【００３０】
然し乍ら、近年では溶接も種々の溶接方法で実施され、レーザビーム溶接の様に、入熱量の小さい溶接方法では、従来の溶接条件設定方法では、部材の持つ耐荷力を適正に反映させているとは言えなくなってきている。
【００３１】
本発明では、残留応力分布を考慮して、耐荷力を決定するものであるので、溶接方法、入熱量を考慮した精度の高い耐荷力の設定が可能となり、部材を有効に活用でき、又経済的な部材の使用を可能とする。
【００３２】
以下、上記耐荷力の設定方法を用いた溶接条件の設定について、図３を参照して説明する。
【００３３】
ＳＴＥＰ：０１  使用する部材の材質、板厚、板幅等の諸元、即ち使用する部材についての条件（溶接条件）を設定する。
【００３４】
ＳＴＥＰ：０２  部材の形状、溶接の場所、突合わせ溶接か隅肉溶接か等の条件に基づきアーク溶接にするか、或はレーザビーム溶接にするか等、溶接方法の選択を行う。
【００３５】
ＳＴＥＰ：０３  溶接方法、板厚、部材の形状、溶接の場所、突合わせ溶接か隅肉溶接か等の条件に基づき、溶接施工条件、例えば電流値、溶接速度、入熱量が図４に示す溶接施工条件データベースから選択される。
【００３６】
ＳＴＥＰ：０４  溶接施工条件が確定すると、溶接条件と溶接施工条件（例えば材質、板厚、板幅、入熱量、溶接速度等）及び残留圧縮力データベースに基づき、残留圧縮応力σR 及び残留圧縮応力分布曲線ｆσR が算出される。更に、該残留圧縮応力分布曲線ｆσR に基づき、下記式２により残留圧縮力Ｆｒが演算される。
【００３７】
Ｆｒ＝∫ｆσR ・ｄａ    …（式２）
【００３８】
尚、残留圧縮応力σR 及び残留圧縮応力分布曲線ｆσR については、材質、入熱量、板厚等をパラメータとして、予めテストピース等によりデータを取得し、図５に示す残留圧縮力データベースとして取得しておく。
【００３９】
ＳＴＥＰ：０５  使用される部材の座屈強度Ｆｅと演算された残留圧縮応力σR に基づき、下記式３に基づき耐荷力Ｆが演算される。
【００４０】
耐荷力Ｆ＝Ｆｅ−Ｆｒ（Ｆｒ＜σmax・Ａ）    …（式３）
【００４１】
尚、耐荷力Ｆを演算する場合に、安全率を考慮する場合、例えば安全率を２とすると、耐荷力Ｆは（Ｆ＝Ｆｅ／２−Ｆｒ（Ｆｒ＜σmax・Ａ））となる。
【００４２】
ＳＴＥＰ：０６  得られた耐荷力Ｆと、設計上必要な負荷荷重Ｆａとを比較し、耐荷力Ｆが負荷荷重Ｆａより大きい場合は、条件設定が良好として終了する。尚、より精度を向上させる為に、負荷荷重Ｆａに範囲を与え、例えば耐荷力ＦがＦａ±０．１Ｆａの範囲にあるかの判断をさせてもよい。
【００４３】
得られた耐荷力Ｆが負荷荷重Ｆａより小さい場合、或は負荷荷重Ｆａの所定の範囲内にない場合は、設定した溶接条件が適正でなかったとして、ＳＴＥＰ：０１に戻り、溶接条件の再設定が実行される。
【００４４】
尚、ＳＴＥＰ：０２に於いて、アーク溶接が選択された場合、上記ＳＴＥＰ：０３〜ＳＴＥＰ：０６を経て溶接条件の設定を行ってもよいが、より簡便に従来同様な方法で最大残留圧縮応力を求め、該最大残留圧縮応力から耐荷力Ｆを求めてもよい。
【００４５】
即ち、ＳＴＥＰ：０２で溶接方法の選択がなされると、前記残留圧縮力データベースに基づき最大残留圧縮応力σcmaxを求め、該最大残留圧縮応力σcmaxと、Ｆ＝（Ｅ−σcmax）×Ａとから耐荷力Ｆを求める様にしてもよい。
【００４６】
図６は、上記溶接条件設定方法を実行する溶接条件設定装置１の一例を示している。
【００４７】
図６中、２は制御演算部、３は半導体メモリ、ＨＤＤ等の記憶部、４はメモリリードライト装置、ＦＤＤ、ＣＤＤ等の入出力部、５はディスプレイ等の表示部、６はキーボード、タッチパネル等の操作入力部を示している。
【００４８】
前記記憶部３は、プログラム格納部７、データベース格納部８を有し、前記プログラム格納部７には溶接条件設定のシーケンスを実行するシーケンスプログラム、材料、板厚等が設定された場合に設定された条件に基づき溶接方法を選択する為の溶接方法選択プログラム、選択された溶接方法、設定された材料、板厚等に基づき溶接施工条件データベースから最適な溶接条件を選択し、設定する溶接条件設定プログラム、設定された溶接条件と残留圧縮力データベースから、条件に適合する残留圧縮応力分布曲線を演算、若しくは選択し、式２により残留圧縮力を演算する残留圧縮力演算プログラム、演算された残留圧縮力と上記式３により耐荷力Ｆを演算する圧縮強度演算プログラム、演算された耐荷力Ｆが必要とされる負荷荷重Ｆａより大きいか、或は負荷荷重Ｆａの所定範囲内に収っているかどうかを判断する判断プログラム等のプログラムが格納されている。
【００４９】
又、前記データベース格納部８には、前記溶接施工条件データベース、残留圧縮力データベース等、上記プログラムを実行するに必要なデータベースが格納されている。
【００５０】
前記制御演算部２は、前記シーケンスプログラム及び上記プログラムを実行し、溶接条件を演算し、演算された溶接条件は前記表示部５に表示され、又は／及び前記入出力部４により可搬性の記録媒体、例えばメモリカード、ＦＤＤ、ＣＤ等に書込まれる。或は演算された溶接条件をＬＡＮ等の通信手段を介して他の管理装置に送信してもよい。
【００５１】
前記溶接条件設定装置１の作用について説明する。
【００５２】
前記操作入力部６より、材質、板厚、板幅、更に部材に作用する負荷荷重Ｆａ又は設計荷重を入力する。
【００５３】
前記制御演算部２は、前記データベース格納部８からシーケンスプログラムを起動、展開し、シーケンスの進行に合わせて上記プログラムを順次起動展開する。又、入力された条件から溶接方法を選択し（ＳＴＥＰ：０２）、溶接施工条件データベースに基づき溶接条件を決定する（ＳＴＥＰ：０３）。求めた溶接条件及び上記（式２）から残留圧縮力を演算し、更に（式３）により、耐荷力Ｆを演算する。
【００５４】
前記判断プログラムにより、求めた耐荷力Ｆと負荷荷重Ｆａとを比較し、耐荷力Ｆが適当であるか、不適当であるかを判断する。判断結果は前記表示部５に表示され、適当である場合は、溶接条件が前記入出力部４に出力され、前記記憶部３に保存され、或は該入出力部４を介して所要の可搬記録媒体に書込まれる。
【００５５】
又、不適当である場合は、不適当である旨の表示と共に再設定が必要である旨の表示を行う。更に、判断結果を基に部材の板厚、板幅の予想修正量を演算し、部材の板厚、板幅をどの程度変更すればよいかのガイダンス表示をしてもよい。或は、前記制御演算部２が、判断結果に基づき部材の板厚、板幅の修正すべき変更量を演算し、変更した板厚、板幅によりＳＴＥＰ：０１〜ＳＴＥＰ：０６迄を繰返し実行し、耐荷力Ｆが適正な値、例えば耐荷力Ｆ＝Ｆａ±０．１Ｆａとなる様にしてもよい。
【００５６】
尚、上記説明では、圧縮荷重、圧縮応力について説明したが、引張荷重、引張応力が作用する場合についても同様に適用できることは言う迄もない。
【符号の説明】
【００５７】
１              溶接条件設定装置
２              制御演算部
３              記憶部
４              入出力部
５              表示部
６              操作入力部
７              プログラム格納部
８              データベース格納部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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