溶接継手の長寿命疲労特性評価
本田

尚 *1 佐々木哲也 *1 山際謙太 *1山口篤

志 *1

溶接継手の疲労強度は，200 万回応力繰返し数（200 万回強度）で評価されるため，疲労試験の多くは 200 万回で打ち切られ，長寿命側のデータに乏しい．そこで，溶接継手の中で最も疲労強度が劣る面外ガセット溶接継手について，1000 万回疲労強度を調査するとともに，溶接止端部の残留応力，応力集中係数を評価することで，面外ガセット溶接継手の長寿命疲労特性を調査した．また，母材の疲労強度が引張り強さに比例するのに対し，溶接継手の疲労強度は溶接形状に大きく依存し，母材の引張り強さに比例しない．そこで，溶接部に超音波衝撃処理を施すことで，溶接継手の疲労強度改善を試みた．

キーワード : 溶接継手，疲労強度，残留応力，応力集中，超音波衝撃処理．

はじめに動アーク溶接により，図 1 に示す面外ガセット溶接試

圧力容器やクレーンなど大型の産業機器には溶接が多験体を作製した．寸法効果を調査するために，SM490A

1用されているが，溶接部は形状の変化や引張残留応力にと WEL-TEN590 については，図 1 の寸法を 1/2 にした

よって疲労き裂の起点となることが多く，破壊事故の原試験体を作製した．疲労試験は，統計的疲労試験方法

因となっている 1）．溶接継手の疲労強度は，200 万回応で あ る 14S-N 試 験 法（JSME S 002-1994） に 基 づ き 5），力繰返し数（200 万回強度）で評価されるため，疲労試

200kN, 500kN および 1500kN 容量電気サーボ油圧試験

験の多くは 200 万回で打ち切られ，それより長寿命側の機を用いて，応力比 R = 0.1，繰返し速度 f = 4 ～ 9Hz，データに乏しい 2）．しかし，天井クレーンや道路橋など室温大気中にて破断するまで行った．写真 1 に使用し大型の溶接鋼構造物では，十数年を超える長期間の使用た 500kN 試験機の外観を，写真 2 に面外ガセット溶接で，溶接部に疲労損傷が多数発見されており 3）4），この試験体の試験機への取付状態を示す．繰返し数が 1000

ため 200 万回を超える応力繰返し数での疲労強度評価が万回に達した場合は，その時点で試験を打ち切った．な求められている．そこで，溶接継手の中で最も疲労強度

お，疲労試験の際は，溶接止端から 5 mm の位置にひずが劣る面外ガセット溶接継手について，1000 万回疲労みゲージを貼付し，疲労き裂の発生を検出した．疲労き強度を調査するとともに，溶接止端部の残留応力，応力裂の発生は，疲労試験開始直後よりひずみ振幅が 5% 低集中係数を評価することで，面外ガセット溶接継手の長下した時点の繰返し数と定義した 6）．

寿命疲労特性を調査した．
また，母材の疲労強度が引張り強さに比例するのに対表1

し，溶接継手の疲労強度は溶接形状に大きく依存し，必使用した材料の機械的性質

供試材

降伏強さ
MPa

引張強さ
MPa

伸び %SM490A

37752827MPa 以上の高張力鋼が使用されている．伸縮式のブーSM570Q

51460834ムの多くは，薄板を溶接したボックス構造をしており，

WEL-TEN590

55663528WEL-TEN950

9961016

20ずしも母材の強度に比例しない 2）．特に，伸縮式のブームを採用する移動式クレーンでは，ブームが長尺化する傾向にあり，軽量化のために最近では引張強さが 1000

補強用リブや補器類等を取り付けるためのステーが溶接される．このため，高張力鋼の使用によってブームの許容応力が大きくなると，溶接部から疲労破壊する危険性が高くなる．そこで，溶接継手の疲労強度向上を目的として，溶接部に表面改質の一種である超音波衝撃処理（Ultrasonic Impact treatment : 以下 UIT）を適用し，溶接止端部の応力集中係数および残留応力を評価すること

Loading directionで，UIT が溶接継手の疲労強度に及ぼす影響を調査した．
試験体および試験方法

11012172TEN590 および WEL-TEN950 を使用した．表 1 に供試700

材の機械的性質を示す．溶接試験体は，炭酸ガス半自
図1*1

機械システム安全研究グループ .

－ 47 －

面外ガセット溶接試験体の形状

1002

供試材には板厚 12mm の SM490A，SM570Q，WEL-12（ mm ）

労働安全衛生総合研究所特別研究報告

JNIOSH-SRR-NO.40（2010）

溶接止端ガセット

写真 3

疲労破壊した面外ガセット溶接継手試験体

300
SM490A
SM570Q
SM490A (1/2)
WEL-TEN590 (1/2)
WEL-TEN950

写真 1

Stress range, MPa

200

500kN 容量電気サーボ油圧試験機

100908070605040
30
510106107108

Number of cycles to failure
図
図22 面外ガセット溶接継手の疲労試験結果
面外ガセット溶接継手の疲労試験結果試験片も 200 万回を超えて破断しており，溶接継手の疲労強度を評価するには，200 万回では不十分であることが分かる．また，S -N 曲線の傾斜部は材料および試験片寸法によらずほぼ一致しているが，1000 万回疲労強度は，若干であるが母材の引張り強度に比例して高くなり，また試験片寸法が小さいほど高くなっている．
図 3 に溶接止端部に貼付したひずみ振幅の変化を示す．
なお，縦軸は初期のひずみ振幅で無次元化している．ひずみ振幅が 5% 低下する時点をき裂発生寿命とすると 6），材料によるき裂発生寿命の違いは見られず，また破断寿命に占めるき裂発生寿命の割合は，30% 程度と非常に小さい．これは後述するが，溶接止端部の応力集中係数が非常に大きいためである．また，き裂発生後の応力繰返し数である，き裂進展寿命にも大きな違いは見られない．
写真 2

このため，面外ガセット溶接継手の疲労寿命に，材料に面外ガセット溶接試験体の取付状態よる違いは現れなかったものである．
32） 溶接残留応力評価

実験および解析結果

1） 疲労試験結果

X 線応力測定装置を用いて，溶接止端を中心とする表疲労破壊した溶接試験体を写真 3 に示す．試験体は材面長手方向の残留応力分布を測定した．測定は sin2θ 法，料によらず，全てガセットの溶接部根元（溶接止端部）

X 線波長 CrKα，回折角 156.08°，照射面積 4mm2 で行った．

から破断した．図 2 に疲労試験結果を示す．溶接試験片

図 4 に測定結果を示すが，溶接残留応力はいずれの材料の疲労強度は通常 200 万回強度で評価され，200 万回ででも溶接止端で最大となり，SM490A では最大 200MPa

疲労試験を打ち切るが，このグラフを見ると，いずれの

程 度 の 引 張 り 残 留 応 力，SM570Q で は 約 400MPa と－ 48 －溶接継手の長寿命疲労特性評価

12010095%

Rs , %

8060yσ= 175 MPa40SM490A
SM570Q
WEL-TEN950PE

20045 101 10
Number of cycles0

図3500

51.5 10

図5

面外ガセット溶接継手の FEM モデル

図6FEM による X 方向の応力解析例

5

ひずみゲージ出力の変化

SM490A
SM570Q
WEL-TEN950

400
Residual stress, MPazx300
200
1000
表2-100-200

020406080
Distance from the edge, mm
図4100

溶接部の残留応力分布

FEM で解析した溶接止端部の応力集中係数

Specimen
No.

12345Kt

4.33

4.42

5.43

4.60

4.81

溶接止端部の K t を計算するために，5 体の試験体についてシリコンゴムで溶接部のレプリカを採取し，形状

SM490A の 2 倍の引張り残留応力が発生している．しかを測定した．溶接部の大まかな形状は，レプリカを拡大し，最も高強度である WEL-TEN950 の残留応力は，最投影機で 10 倍に拡大して測定した．溶接止端について大値は SM570Q と同等であった．残留応力は内力であは詳細な形状データを得るためにレーザ顕微鏡を用い，り，引張り残留応力と圧縮残留応力は釣り合っているは分解能を 0.01 µm として測定した．形状測定結果をもとずであるが，WEL-TEN950 の場合，すべて引張り残留に図 5 に示すような 1/8 モデルを作成し，応力解析を応力となっている．このため，板厚方向に圧縮残留応力行った．解析モデルは 8 節点固体要素を用いて，要素数が分布していると考えられる．

約 60,000，節点数約 66,000 に分割し，ヤング率 E とポアソン比ν はそれぞれ E = 206GPa，ν = 0.3 とした．図3） 溶接部の応力集中係数評価

6 に解析結果の一例として，X 方向の応力コンター図を

溶接止端部の応力集中係数 K t を評価するため，有限示すが，溶接止端部の応力が周囲より高くなっている要素解析（FEM）コード MARC を用いて 3 次元有限要のが分かる．図中，右端のスケールは，応力値（単位素弾性応力解析を行った．K t は以下の式で定義され，は MPa）である．表 2 に解析結果から求めた K t を示す．

応力集中部の応力が平滑部より何倍高いかを表す指標でK t は 4.3 ～ 5.4 と非常に大きな値であり，前述したようある．にき裂発生寿命が著しく小さくなる原因となっている．

σmax
Kt =σ0（1）4ここで σmax は応力の最大値，σ0 は最小断面の公称応

超音波衝撃処理による溶接継手の疲労強度改善

1） 超音波衝撃処理
本研究で使用した鋼材の引張り強さと疲労限度の関力である．

－ 49 －

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1000

Fatigue limit, MPa

800

Base metalWelded joint

6004002000400500600700800
Tensile strength, MPa

図7

引張り強さと疲労限度の関係

冷却装置

9001000

写真 5面外ガセット溶接継手の UIT 処理

ハンドツール

電源トランスデューサ

導波棒

ピンスプリング
図8UIT 装置の概略図

写真 6(a)

UIT 処理前(b)

UIT 処理後

UIT 処理による溶接止端部の変化依存しない．このため，高強度な材料を使用しても，その強度を有効に利用することができない．そこで，疲労の起点となる溶接止端部に，金属の表面処理法であるショットピーニングやハンマーピーニングと同様の効果が報告されている超音波衝撃処理（Ultrasonic ImpactTreatment：以下 UIT）を施し，溶接継手の疲労強度改善を試みた．UIT は，図 8 に示すハンドツール内で発生した超音波によって，先端のピンを高速に振動させ，その衝撃力で金属材料表面を硬化させる方法である．この
写真 4

方法は，小さな鋼球を空気圧で衝突させるショットピー

実験に使用した UIT 装置

ニングに比べ施工が容易であり，既存の構造物への適用係を図 7 に示す．なお，参考までに併せて母材の疲労が期待されている．また反動が小さいため，ハンマーピー限度を示す．母材の疲労限度が引張り強さに比例するニングに比べ施工者への身体的負担が小さいという特徴のに対し，溶接継手の疲労限度は鋼材の種類にほとんどを有している．

− 50 −

溶接継手の長寿命疲労特性評価

R200120

R : Root
T : Weld Toe

T100R
R1009080706050

Strain amplitude, %Stress range, MPa

300

R = 0.1
As-weld
UIT4010

図9561010
Number of cycles to failure

71080

Crack initiation

6040As-weldUIT

20085 10051 10∆σ = 175 MPa61.5 1062 106

2.5 106

Number of cycles to failure

UIT 処理した溶接継手の疲労試験結果

図 10

UIT 処理によるき裂発生寿命の変化

As -weld（a） 溶接まま試験体

U ITσ（b） UIT 処理試験体
写真 7

溶接ままおよび UIT 処理試験体の破断箇所

図 11

UIT 処理した溶接継手の FEM モデル

表3UIT 処理による応力集中係数の変化

No.1

No.2

No.3

No.4

No.5

As-weld

3.21

3.27

3.43

3.32

3.28

UIT

2.43

2.65

2.20

2.74

2.71

端から破断したのに対し，UIT 試験体は 4 体のうち，3本 研 究 に 使 用 し た UIT 装 置 は，Applied Ultrasonic

体が未溶着ルート部から破断している．

社 製 Esonix ™ 27 UIS で あ り， 超 音 波 の 共 振 周 波 数

図 10 に一例として，Δ σ = 175 MPa における溶接止端は 27kHz，打撃ピンの半径及びピン先端の曲率半径はのひずみ振幅と繰返し数の関係を示す．UIT 試験体の1.5mm，ピンの振幅は約 30µm である．写真 4 に使用しき裂発生寿命は AW 試験体の約 20 倍に増大している．

た UIT 装置を，写真 5 に UIT 処理の様子を示す．また，

これは，AW 試験体が溶接止端から破断するのに対し，

写真 6 に UIT 処理前と処理後の溶接止端部を示す．写UIT 試験体はルート部から破壊することに関係してい真 6（b）のように，UIT 処理によって溶接止端部にピる．

ン先端の形状が転写される．
3） 応力集中係数の評価
2） UIT による疲労強度の変化

溶接止端部の応力集中係数 K t を評価するため，有限UIT 処理は，今回使用した材料で最も高強度な WEL-要素法（FEM）により三次元弾性応力解析を行った．

TEN950 溶接継手に施した．図 9 に疲労試験結果を示す

AW 試験体と UIT 試験体の溶接部をそれぞれ 5 ヶ所ずつが，溶接止端に UIT を施すことで，全ての応力範囲にシリコンゴムで型取し，拡大投影機で 10 倍に拡大しておいて疲労寿命は増加し，特に疲労限近傍では約 15 倍形状を測定した．溶接止端については，分解能 0.01µm増加している．また，疲労限度は溶接まま試験体（以下の 3D レーザー顕微鏡を用いて，より詳細に形状を計測AW 試験体）が 75 MPa に対し，UIT 処理した試験片（以した．

下 UIT 試験体）は，150 MPa と 2 倍に増大している．なお，測定結果をもとに，試験体の対称性を考慮し，1/8FE

写真 7 に破断箇所を示すが，AW 試験体がすべて溶接止モデルを 8 節点固体要素を用いて，要素数約 60,000，節－ 51 －

労働安全衛生総合研究所特別研究報告

JNIOSH-SRR-NO.40（2010）2）溶接試験体の S -N 曲線を求めたところ，傾斜部は材800

料と試験片寸法に依存しないが，疲労限度は若干引張り

As-weld600

強度に比例し，試験片寸法に反比例した．

UIT

Residual stress, MPa

4003）X 線残留応力測定法で溶接残留応力を計測したとこ

200

ろ，残留応力は溶接止端部で最大引張り応力となり，高0強度材料の方が応力値が大きい．

-2004）溶接止端部の応力集中係数を有限要素法による 3 次-400

元弾性応力解析結果から評価したところ，4.3 ～ 5.4 と非常に大きな値であった．

-600
-800

020406080
Distance from the edge, mm
図 125）UIT 処理した溶接試験体は，溶接ままの試験体に比100

べ，疲労寿命は 10 倍程度増大し，疲労強度は約 2 倍に改善された．

UIT 処理による残留応力の変化

6）溶接まま試験体は溶接止端から疲労き裂が発生し破断したが，UIT 処理した試験体は未溶着のルート部から点数約 66,000 に分割した．図 11 に作製した FE モデル

疲労き裂が発生し破断した．の一例を示す．なお，ヤング率 E = 206 GPa，ポアソン比 ν = 0.3 とした．表 3 に応力解析結果から求めた K t を

7） FEM による 3 次元弾性応力解析により，UIT 処理後示す．AW 試験体の K t は約 3.3 に対し，UIT 試験体は約の溶接止端の応力集中係数を評価したところ，UIT に2.6 と UIT によって K t は 20% 程度低減している．

よって，応力集中係数は溶接ままより約 20% 低減した．

4） 残留応力の評価

8）X 線応力測定法により，UIT 処理後の残留応力を調X 線応力測定法により，AW 試験体と UIT 試験体の溶査したところ，溶接ままでは 300MPa の引張り残留応力接止端における荷重方向の残留応力分布を測定した．測が，UIT を適用することによって -600MPa 以上の圧縮定は並傾法の ψ 0 一定法で，X 線には CrKα を用い，半残留応力となった．

価幅中点法で回折角θを決定した．図 12 に残留応力謝測定結果を示す．AW 試験体の溶接止端は 300MPa 以辞

本研究は東京電機大学大学院理工学研究科知能機械工上の引張残留応力であるが，UIT 試験体の溶接止端は-600MPa 以下の圧縮残留応力となっており，UIT によっ学専攻修士課程（平成 22 年 3 月修了）の戸ヶ崎祐君のて，引張強さに相当する約 1000MPa もの圧縮残留応力協力により実施された．また，試験材料の一部は，株式が導入されたことになる．UIT によって溶接継手の疲労会社タダノより提供を受けた．UIT 処理は新日本製鐵株限度が 2 倍に増大した原因は，残留応力の影響が大きい式会社鉄鋼研究所で施工した．ここに記して謝意を表すと考えられる．

る次第である．
5結参論溶接継手の疲労強度は，200 万回強度で評価されるた

献2）

鋼構造物の疲労設計指針・同解説，[ 社 ] 日本鋼構造協

W. Fisher，建設図書 ; 1987.

1000 万回疲労強度を調査するとともに，溶接止端部の会 編，技報堂出版 ; 1993.

残留応力，応力集中係数を評価することで，面外ガセッ

3）

ト溶接継手の長寿命疲労特性を調査した．また，溶接継4）

手の疲労強度は溶接形状に大きく依存し，母材の引張り破壊事故 ―失敗知識の活用―，小林英男，共立出版 ;2007.
三木千寿・坂野昌弘・舘石和雄・福岡良典，鋼橋の疲労損傷事例のデータベースの構築とその分析，土木学会論

強さに比例しない．そこで，溶接部に超音波衝撃処理を施し，溶接継手の疲労強度改善を試みた．得られた結果

文

例えば，鋼橋の疲労と破壊 ―ケーススタディー―，Johnめ，長寿命側のデータに乏しい．そこで，溶接継手の中で最も疲労強度が劣る面外ガセット溶接継手について，

考1）

文集，No.392 ; 1988 : 403-4410.
5）は以下のとおりである．

JSMS002-1994 統計的疲労試験方法（改訂版），社団法人
日本機械学会，春恒社 ; 1994．

6）

町田進・的場正明・吉成仁志・林忠宏・牧野寛之，ブロッ

1）溶接試験体はいずれも 200 万回以上の荷重繰返し数

ク荷重を受ける溶接構造の疲労寿命推定法に関する一考で破断しており，溶接継手の疲労強度を評価するには，

察，日本造船学会論文集 No.172 ; 1992 : 579-587.

200 万回疲労強度では不十分である．

（平成 22 年 9 月 24 日受理）

－ 52 －