(57)【要約】【課題】同じ溶接残留応力分布下における塑性拘束の影響を評価できる破壊試験片を提供すること。【解決手段】所定の延在方向に延びる板状の破壊試験片１であって、溶接ビード２と、上記溶接ビード２を分断し板厚方向に抜ける溝状のき裂３とを有する。【選択図】図１
2011013153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の延在方向に延びる板状の破壊試験片であって、
溶接ビードと、
前記溶接ビードを分断し、板厚方向に抜ける溝状のき裂とを有することを特徴とする破壊試験片。
【請求項２】
前記溶接ビードは、前記板厚方向の両側面にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１に記載の破壊試験片。
【請求項３】
前記両側面にそれぞれ形成されている前記溶接ビードは、互いに対向して設けられていることを特徴とする請求項２に記載の破壊試験片。
【請求項４】
前記溶接ビードは、前記延在方向と平行して全域に亘って形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の破壊試験片。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同じ溶接残留応力分布下における塑性拘束の影響を評価できる破壊試験片に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属材料を溶接することで生じる溶接残留応力は、き裂状の欠陥を有する機器・構造物の破壊強度に大きく影響を及ぼし得る。そのため、溶接残留応力を有する金属材料の破壊強度を測定できる試験方法は重要であり、例えば特許文献１では、広幅の金属板に溶接ビードを形成して、材料内に溶接残留応力が生じている状態での破壊強度を測定できる破壊試験片が開示されている。
【０００３】
また、金属材料の破壊靭性値は、き裂先端における塑性拘束の程度に大きく影響を受ける。そのため、金属材料の破壊強度を測定するにあたり、塑性拘束の程度を考慮することは重要である。例えば、き裂を有する金属材料に対する引張試験では、塑性拘束が小さい状態での破壊強度を測定でき、き裂を有し所定の延在方向で延びる金属材料に対する３点曲げ試験では、塑性拘束が大きい状態での破壊強度を測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２４０５１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、溶接構造物の破壊評価を適切に行うためには、溶接残留応力及び塑性拘束の両者の影響を共に考慮することが必要となる。
しかし、上述した従来技術では、溶接残留応力及び塑性拘束の影響を検討する際に、個別に形状の異なる試験片を用いているため、同じ溶接残留応力分布下における塑性拘束の影響を評価することができない。
【０００６】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、同じ溶接残留応力分布下における塑性拘束の影響を評価できる破壊試験片を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
【０００８】
第１の発明は、所定の延在方向に延びる板状の破壊試験片であって、溶接ビードと、上記溶接ビードを分断し板厚方向に抜ける溝状のき裂とを有するという構成を採用する。
【０００９】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記溶接ビードが、上記板厚方向の両側面にそれぞれ形成されているという構成を採用する。
【００１０】
第３の発明は、上記第２の発明において、上記両側面にそれぞれ形成されている上記溶接ビードが、互いに対向して設けられているという構成を採用する。
【００１１】
第４の発明は、上記第１の発明から上記第３の発明のいずれかにおいて、上記溶接ビードが、上記延在方向と平行して全域に亘って形成されているという構成を採用する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、破壊試験片は溶接ビードを有しており、破壊試験片には溶接残留応力が生じている。
また、本発明の破壊試験片は所定の延在方向で延びた形状となっており、その両端部を引張試験装置が把持して牽引することで、引張試験を行うことができる。ここで、破壊試験片には板厚方向に抜ける溝状のき裂が形成されており、そのき裂の先端から塑性変形が生じる。そして、引張試験ではき裂先端における塑性拘束が小さくなることから、溶接残留応力が分布し且つ塑性拘束が小さい状態での破壊試験片の破壊強度を測定することが可能となる。
一方、本発明の破壊試験片は所定の延在方向で延びた形状となっており、３点曲げ試験を行うことができる。また、破壊試験片のき裂の先端から塑性変形が生じる。そして、３点曲げ試験ではき裂先端における塑性拘束が大きくなることから、溶接残留応力が分布し且つ塑性拘束が大きい状態での破壊試験片の破壊強度を測定することが可能となる。
したがって、本発明によれば、溶接残留応力が生じている破壊試験片に対して、塑性拘束が小さい状態と大きい状態とのそれぞれの状態で破壊強度を測定することができ、同じ溶接残留応力分布下における塑性拘束の影響を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態における破壊試験片１の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態における破壊試験片１の形成の方法を示す概略図である。
【図３】引張試験を用いた破壊試験片１における破壊強度の測定方法を示す概略図である。
【図４】３点曲げ試験を用いた破壊試験片１における破壊強度の測定方法を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明に係る破壊試験片の一実施形態について説明する。
【００１５】
図１は、本実施形態の破壊試験片１の構成を示す概略図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）はき裂３周辺の拡大図である。
破壊試験片１は、所定の延在方向で延びる板状の部材であって、金属材料の破壊強度を測定するための試験片である。すなわち、破壊試験片１は、破壊強度の評価を行う金属材料を用いて形成されている。
【００１６】
破壊試験片１は、後述する引張試験装置に把持される部分が必要となることから、延在方向での長さは一般的な破壊靭性試験片よりも長く形成されている。また、破壊試験片１の延在方向と直交する方向での断面形状は長方形状に形成され、この断面形状（特に、長方形の長辺長さ及び短辺長さ）は、上記一般的な破壊靭性試験片の規格を参照して設定されている。なお、以下、上記断面形状における長辺側のそれぞれの面を側面１ａ、短辺側の面のうち紙面上方側の面を第１端面１ｂ、短辺側の面のうち紙面下方側の面を第２端面１ｃと称し、側面１ａと直交する方向を板厚方向、第１端面１ｂや第２端面１ｃと直交する方向を幅方向と規定する。
【００１７】
破壊試験片１は、溶接ビード２と、き裂３とを有している。
溶接ビード２は、例えばアーク溶接におけるＭＡＧ溶接によって形成されたビードであって、破壊試験片１の両側面１ａにそれぞれ形成されており、幅方向での第２端面１ｃ側に、破壊試験片１の延在方向と平行して全域に亘り設けられている。また、両側面１ａにそれぞれ形成されている溶接ビード２は、板厚方向で互いに対向する位置に設けられている。
【００１８】
溶接ビード２は、破壊試験片１の両側面１ａにそれぞれ設けられた溝部４の内部を溶接することで形成されている。
溝部４は、両側面１ａのそれぞれに形成され、幅方向での第２端面１ｃ側に、破壊試験片１の延在方向と平行して全域に亘り設けられている。溝部４の幅方向での断面形状は、板厚方向で破壊試験片１の中央部に向かうに従い次第に幅狭となる略楔状に形成されている。溝部４の溝深さは、破壊試験片１の板厚に応じて設定される。より詳しくは、溝部４の溝深さは、溝部４の内部に溶接ビード２を形成したときの、破壊試験片１の板厚方向での溶接残留応力の分布に応じた深さで形成されている。
【００１９】
溶接ビード２は、溝部４の内部に対してそれぞれ３回の溶接を繰り返すことで、３層のビード層が重なって形成されている。また、溶接ビード２は、両側面１ａから僅かに突出して盛り上がった形状となっている。
【００２０】
このような溶接ビード２が形成されていることで、破壊試験片１の内部には溶接による残留応力が生じている。この溶接残留応力は、アーク熱により溶融し膨張した金属（破壊試験片１自体の金属材料、及び溶接棒や溶接ワイヤ等）が、溶接後に冷却されて収縮することによって生じる応力である。そして、上述したように、それぞれの溶接ビード２は板厚方向で互いに対向する位置に設けられ、且つ溝部４の溝深さは、溶接ビード２を形成したときに板厚方向での溶接残留応力の分布に応じた深さで形成されているため、破壊試験片１の板厚方向での溶接残留応力の分布を極力無くすことが可能となる。
【００２１】
き裂３は、破壊試験片１の延在方向での中央部の第２端面１ｃ側に、板厚方向で抜ける溝状に形成されている。また、き裂３は、第２端面１ｃから第１端面１ｂに向かって伸長し、溶接ビード２をその延在方向で分断している。き裂３の先端部３ａは、破壊試験片１の幅方向での略中央部に設けられ、板厚方向と平行して延びている。また、先端部３ａには、塑性変形の端緒となる疲労予き裂が形成されている。
【００２２】
ここで、破壊試験片１を、き裂３の先端部３ａを中心として幅方向で分け、第１端面１ｂ側を母材部５、第２端面１ｃ側をビード配置部６と称する。
それぞれの溶接ビード２は、破壊試験片１の延在方向と平行して形成されているため、溶接ビード２はいずれもビード配置部６内に配置されている。一方、溶接ビード２による溶接残留応力は、母材部５内にも生じている。
【００２３】
また、より好ましくは、破壊試験片１を構成している金属材料の、溶接時の熱により劣化した部分が、全てビード配置部６内に配置されていることが望ましい。これは、母材部５に、溶接残留応力のみを生じさせ、溶接時の熱による劣化の影響が及ぶことを避けるためである。言い換えれば、き裂３は、溶接ビード２の周囲に生じている金属材料が熱劣化した部分も、延在方向で分断していることが望ましい。
【００２４】
続いて、破壊試験片１を形成する方法を、図２を参照して説明する。
図２は、本実施形態の破壊試験片１の形成の方法を示す概略図であって、（ａ）は破壊試験片１の外形を形成する工程、（ｂ）は溝部４を形成する工程、（ｃ）は溶接ビード２を形成する工程、（ｄ）はき裂３を形成する工程を示している。なお、図２では、紙面左側に側面図を、紙面右側に正面図を示している。
【００２５】
まず、図２（ａ）に示すように、破壊強度の評価を行う金属材料を用いて、破壊試験片１の外形を形成する。上述したように破壊試験片１の延在方向と直交する方向での断面形状（特に、長方形の長辺長さ及び短辺長さ）は、一般的な破壊靭性試験片の規格を参照して設定される。また、破壊試験片１の長さは、破壊試験片１の中央部を後述する冷却箱７２（図３参照）内に配置した状態で、引張試験装置によってその両端部を把持するに足る長さに形成される。
【００２６】
次に、図２（ｂ）に示すように、破壊試験片１における両側面１ａのそれぞれに、溝部４を切削加工等により形成する。
一対の溝部４は、幅方向での第２端面１ｃ側に、破壊試験片１の延在方向と平行して全域に亘って形成され、且つ板厚方向で互いに対向する位置に形成される。溝部４の溝深さは、溝部４の内部に溶接ビード２を形成したときの、破壊試験片１の板厚方向での溶接残留応力の分布に応じた深さで形成される。
【００２７】
次に、図２（ｃ）に示すように、溝部４の内部に例えばＭＡＧ溶接等の溶接を行い、溶接ビード２を形成する。
それぞれの溝部４に対して各３回ずつの溶接を行い、先に形成されたビードの上に更にビードを重ねる方法（ビードオングルーブ溶接）によって、溝部４をビードで充填した溶接ビード２を形成する。
溶接ビード２の形成に伴い、破壊試験片１の内部には溶接残留応力が生じる。これは、溶融・膨張したビードが冷却により固化・収縮するために、その周囲における破壊試験片１の金属材料を引っ張ることで生じるものである。そして、この溶接残留応力は、破壊試験片１のビード配置部６だけでなく、母材部５の内部にも生じる。なお、溶接の熱により、溶接ビード２の周囲の金属材料には熱劣化が生じる。
【００２８】
最後に、図２（ｄ）に示すように、破壊試験片１の延在方向での中央部に、き裂３を形成する。
まず、破壊試験片１の第２端面１ｃに、機械加工（切削加工等）によって切欠きを形成する。この切欠きは、第２端面１ｃから第１端面１ｂに向かって伸長しており、且つ板厚方向に抜けて溝状に形成される。次に、この切欠きにおける第１端面１ｂ側の先端部に、塑性変形の端緒となる疲労予き裂を形成する。この疲労予き裂は、板厚方向の全域に亘り形成される。以上の切欠き及び疲労予き裂の形成により、き裂３が形成される。
【００２９】
形成されたき裂３は、破壊試験片１の延在方向で、溶接ビード２を分断している。よって、破壊試験片１の母材部５に溶接残留応力が生じている状態での、破壊試験片１の破壊強度を測定することができる。また、き裂３は、溶接ビード２の周囲に形成された金属材料が熱劣化した部分をも分断することが好ましい。この分断により、破壊試験片１の破壊強度を評価するにあたり、母材部５から熱劣化の影響を除去することができる。
以上で、破壊試験片１の形成が完了する。
【００３０】
続いて、溶接残留応力を内在する破壊試験片１について、塑性拘束が小さい状態と大きい状態とでそれぞれ破壊強度を測定する方法について、図３及び図４を参照して説明する。
図３は、引張試験を用いた破壊試験片１における破壊強度の測定方法を示す概略図である。
図４は、３点曲げ試験を用いた破壊試験片１における破壊強度の測定方法を示す概略図である。
【００３１】
最初に、引張試験について説明する。
まず、破壊試験片１を不図示の引張試験装置に設置する。破壊試験片１の両端部を引張試験装置の一対の把持部７１で把持させる。この把持部７１は、破壊試験片１の両端部を相反する方向に牽引することができるものである。
また、破壊試験片１の中央部を、冷却箱７２内に貫通させて配置する。冷却箱７２は、破壊試験片１の中央部、特にき裂３の周辺を冷却するものである。この冷却は、破壊試験片１の脆性破壊を早期に発生させるためのものである。冷却箱７２内に供給される冷却剤としては、エタノール、ドライアイス及び液体窒素のうち少なくとも１種を用いる。なお、他の冷却剤又は冷却装置を用いてもよい。冷却の温度としては、例えば冷却箱７２の内部を−３５℃、−５０℃又は−７０℃の温度に設定する。
【００３２】
次に、引張試験装置の把持部７１を作動させ、破壊試験片１の両端部を相反する方向で牽引する。この牽引動作により、破壊試験片１の母材部５内には全域に亘り引張応力が生じる。そして、き裂３の先端部３ａには疲労予き裂が形成されているため、この疲労予き裂を端緒として母材部５に塑性変形が生じ、最終的に破壊試験片１は破断する。なお、母材部５内には引張応力のみが生じているので、塑性変形の拡大を抑制する塑性拘束は小さい状態にあり、塑性変形は母材部５内を比較的自由に拡大することができる。
【００３３】
また、母材部５内には、溶接ビード２の形成に伴い溶接残留応力が生じている。上述したように、両側面１ａの互いに対向する位置にそれぞれ溶接ビード２が形成され、溝部４の溝深さも、溝部４の内部に溶接ビード２を形成したときの、板厚方向での溶接残留応力の分布に応じた深さで形成されているため、溶接残留応力の板厚方向での分布を極力無くすことができる。よって、破壊試験片１の破壊強度についての評価を安定して行うことができる。
したがって、溶接残留応力の分布下で、塑性拘束が小さい状態での破壊試験片１の破壊強度を測定することができる。
【００３４】
続いて、３点曲げ試験について説明する。
まず、破壊試験片１を不図示の３点曲げ試験装置に設置する。水平面状の支持面に載置される一対のコロ８１上に、破壊試験片１を設置する。一対のコロ８１は、破壊試験片１の第２端面１ｃを下方から支持し、破壊試験片１の延在方向でのき裂３の両側に等しく離間して設けられている。なお、引張試験と同様に、破壊試験片１の中央部を冷却する。
【００３５】
破壊試験片１が一対のコロ８１に支持された状態で、第１端面１ｂのき裂３と対向する箇所を加圧部材８２により加圧して、３点曲げ負荷を破壊試験片１に加える。加圧部材８２の加圧により、破壊試験片１は、加圧部材８２に対向する凹状に曲がる。この曲げにより、破壊試験片１の母材部５内での、第１端面１ｂ側には圧縮応力が生じ、第２端面１ｃ側には引張応力が生じる。
【００３６】
母材部５内の第２端面１ｃ側に引張応力が生じることから、き裂３の先端部３ａを端緒として塑性変形が生じ、最終的に破壊試験片１は破断する。もっとも、母材部５内には圧縮応力が生じていることから、この塑性変形は自由に拡大することはできない。よって、３点曲げ試験においては、塑性変形の拡大を抑制する塑性拘束は大きい状態にある。
また、上述の引張試験と同様に、母材部５内には、溶接ビード２の形成に伴い溶接残留応力が生じている。
したがって、溶接残留応力の分布下で、塑性拘束が大きい状態での破壊試験片１の破壊強度を測定することができる。
【００３７】
以上より、本実施形態によれば、溶接残留応力が生じている破壊試験片１に対して、塑性拘束が小さい状態と大きい状態とのそれぞれの状態で破壊強度を測定できることから、同じ溶接残留応力分布下における塑性拘束の影響を評価することができる。
【００３８】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３９】
例えば、上記実施形態では、溶接ビード２は破壊試験片１の両側面１ａにそれぞれ形成されているが、これに限定されるものではなく、第２端面１ｃに溝部を形成し、該溝部内に溶接ビードを形成してもよい。
【００４０】
また、上記実施形態では、破壊試験片１はまず一体として形成され、破壊試験片１に形成された溝部４内に溶接ビード２が設けられているが、これに限定されるものではなく、破壊試験片１を、溶接ビード２を中心として第１端面１ｂ側と第２端面１ｃ側とに分かれ、この２つの延在部材を溶接によって接続させた構成としてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１……破壊試験片、１ａ……側面、２……溶接ビード、３……き裂
【図１】
2011013153.tif 000003
【図２】
2011013153.tif 000004
【図３】
2011013153.tif 000005
【図４】
2011013153.tif 000006