超音波振動による局部的な塑性変形を利用した溶接残留応力の低減法
東京都立工業高等専門学校 機械工学科
教授 青木繁（平成１５年度研究開発助成 AF-2003017）
キ−ワ−ド : 超音波振動，溶接，残留応力

１．研究の目的と背景
溶接は多くの構造体に用いられている接合法である．
溶接は局部的に熱を加える加工法であるために，溶接部付近に残留応力が発生する．表面の引張残留応力は部材の疲労強度などに悪影響を及ぼす1)ために，これを簡便に，効率的に低減するための方法を開発することが産業界から求められている．残留応力の低減法としては熱処理，ショットピーニングなどが用いられている2)．これ
らの方法では，特殊な装置を必要とする，時間がかかるなどの問題がある．また，溶接終了後に振動を加えることによって残留応力を低減する方法も提案されているが，Fig.1 Size and shape of specimen

その有効性については疑問視されている3)．
上記のことを考慮して，これまでに溶接中に振動を加えることによって，溶接部付近に生じる引張残留応力を低減する手法を提案し，その有効性を確認してきた．振動としては，溶接試験片の１次の固有溶接中に近い，比較的低い振動数の振動4)，不規則な振動5)を用いた．溶接直後には，溶接部付近は高温であるために降伏力が低く，比較的小さい振動で局部的に塑性変形を生じさせることができると考えられる．このことによって残留応力を低減することができると考えられる．
一方，超音波は難削材の加工，深絞りなど多くの加工法に用いられている6)．超音波は振動の中でも固体中の伝達効率がよいことが知られている．したがって，曲線部をもつ複雑な形状の構造物を溶接する際の残留応力の低減に有効であることが期待される．
本研究では，これらのことを考慮して，超音波振動を加えることによって残留応力を低減する手法を提案し，その有効性を検討することを目的としている．まず，基礎的なデータを得るために，平板の突合せ溶接によってこの方法の有効性を確認した．次に，曲線部をもつ複雑な形状の構造物にこの方法を応用した．このような構造物として，ホイールを対象とした．さらに，この方法の有効性を理論解析によって検証した．

２．平板の突合せ溶接
本手法の基礎的なデータを得るために，平板の突合せ溶接の際に超音波振動を加えた．図１に示す薄板を対象とするため，厚さ方向の残留応力は一定となる．２枚のFig.2 Experimental setup
試験片を支持装置に固定し，自動炭酸ガスアーク溶接機で溶接した．図２に実験装置を示す．開先形状は V 型，ルート間隔は 1mm，開先角度は 30 度である．溶接は１層溶接とした．試験片の材質は一般構造用圧延鋼材（SS400）とした．圧延における残留応力を除去するために，試験片を真空焼鈍炉で 800°C で 1 時間保持し，その後 200°C になるまで炉冷した．ワイヤ径は 1.2mm，電圧は 25V，電流は 200A とした．溶接速度は 30cm/min である．溶接部の中心から 110mm の点に超音波振動を加えた．超音波振動の振動数は 17.8kHz である．広帯域増幅器でシンセサイザからの信号を増幅し，超音波振動はエクスポーネンシャル型のホーンを用いて加えた．
残留応力は 6mol/l の塩酸を用いて酸化被膜を除去し，市販の化学研磨液を用いて平滑化した後，X 線残留応力測定装置で測定した．X 線残留応力測定の条件を表１に

Table 1 Conditions of measuring of residual stressCharacteristic X-rays
Cr-Kα
Diffraction plane
α-Fe(211)
FilterVanadium foil
Stress determination
sin2ψ method
Psi angle0o, 15o, 30o, 45o
Irradiated area
2x4mm2
Tube voltage and current
30kV, 8mA
Scan condition
1.0oPeak determination
Halfvaluewidthmethod
Direction of measurement
Direction of bead
X-ray optics
Parallel beam

３．ホイールの溶接のための超音波振動伝達装置
曲線部をもつ複雑な形状の構造物にこの方法を応用した．このような構造物として，ホイールを対象とした．
ホイールの溶接時にも残留応力が発生することが知られている．ホイールは曲線構造であるために，超音波振動を効率的に伝達する必要がある．まず，超音波振動の伝達機構の開発およびその効果について述べる．次に装置を改良して溶接した場合の結果について述べる．
３．1

伝達機構

図５にホイールの形状および寸法を示す．ホイールはリムにディスクを 2000N で圧入する構造で，4 箇所を溶接することによって接合している．図６に示すように，ホイールを回転台に固定した．ホイールを回転させながら裏側から溶接し，表側から超音波振動を加えた．
図７に超音波振動伝達装置の概念図を示す．超音波振動は超音波振動子の振動をホーンによって与えた．ホー

Fig.3 Measuring locations of residual stressFig.5 Size and shape of wheel (mm)Residual stress(MPa)200
without vibration
with vibration

150100500A-50B-10C0D10E
50

Distance from weld center(mm)Fig.4 Residual stress on thin plateFig.6 Experimental setup示す．図 3 に残留応力の測定点を示す．試験片の長手方向の中心線上で 5 点を選び，ビード方向の残留応力を測定した．点 C はビード上，点 B および点 D はビードの

coil spring

中心から 10mm，点 A および点 E は 50ｍｍ離れた点である．
図４に残留応力の測定結果を示す．●は超音波振動を加えないで溶接した試験片の結果，○は超音波振動を加ultrasonicvibration
generator

wheel

えながら溶接した試験片の結果である． ビード上の点 C
では超音波振動を加えると引張残留応力が大幅に低減されている．点 B および点 D でも超音波振動を加えながら溶接すると引張残留応力が低減されている．点 A および
点 E では引張残留応力はあまり変わらない．

horn

ultrasonic vibrator

Fig.7 Vibration transmission device

ンの先端は平面であり，ホイールに線で接するようにし

Table 2 residual stress at aた．この状態で回転中もホーンがホイールに接するように伝達装置を製作した．ホーンは図７に示すように，２本の棒にコイルばねを用いてホイールとの隙間が生じないようにした．超音波振動の振動数は 38kHz であり，出力は 100W である．
溶接には自動炭酸ガスアーク溶接装置を用いた．ワイ

Residual stress (MPa)Integral width

１45.252.13２23.75

2.12

３-18.00

2.21

４-17.00

2.20

ヤの径は 1.2mm，電圧は 25V，電流は 200A とし，溶接速度は 5mm/s となるようにホイールを回転させた．ビー

Table 3 Confidential limit of residual stress at a

ドの長さは約 80mm である．

68.3% confidence limit (MPa)

残留応力は平板の場合と同様の処理をして，X 線残留１

応力測定装置を用いて測定した．残留応力の測定条件は２6.25

表１と同様である．図８に示すそれぞれの溶接箇所

３10.50a,b,c,d のビードの中央で，ビード方向の残留応力を測定

４16.00

8.00

した．それぞれの点で４回測定し，平均値を求めた．それぞれのビードの長さは 80mm である．溶接箇所 a および b では超音波振動を加えないで溶接し，溶接箇所 c お

Table 4 Average residual stress
Position

Residual stress (MPa)Integral width

よび d では超音波振動を加えて溶接した．

A45.25

2.13

３．２

B

23.75

2.12

実験結果

表２に溶接箇所 a で測定した残留応力の測定値の例を

C-18.00

2.21示す．表の右端の列には積分幅を示す．表３には 68.3%

D-17.00

2.20

信頼限界を示す．
表４にはそれぞれの溶接箇所で４回測定した残留応力４．改良された装置によるホイールの溶接の平均値を示す．a および b は超音波振動を加えない場

ばねを用いた超音波振動伝達装置を用いた実験につい合，c および d は超音波振動を加えた場合の結果である．て述べた．さらに，この伝達機構に改良を加え，残留応

表の右端の列には積分幅を示す．超音波振動を加えない力がより確実に低減する方法を開発し，その効果につい場合には引張残留応力が発生しているが，超音波振動をて述べる．

加えた場合には圧縮残留応力となる傾向がみられる．ま４．１

た，超音波振動を加えた場合には，積分幅がやや増加す

改良装置

ホイールと溶接箇所および超音波振動の周波数と出力は３．と同様にした．ホイールを回転させながら裏側かる傾向がみられる．
このことから，この伝達装置で超音波振動が比較的良ら溶接し，表側から超音波振動を加えた．

好に伝達されていたと考えられる．また，超音波振動を図９に改良した超音波振動伝達装置の概念図を示す．

加えながら溶接すると，引張残留応力が低減されること

超音波振動は超音波振動子の振動をホーンによって与えが明らかになった．

た．ホーンの先端は球面とし，ホイールに点で接するように改良した．この状態で回転中もホーンがホイールに接するように伝達装置を製作した．ホーンは図９に示す
ように，エアシリンダを用いてホイールとの隙間が生じaair silinder
air supplyer

badwheelbultrasonicvibration
generator

dcc

horn

ultrasonic vibrator

Fig.9 Improved experimental setup
Fig.8 Measuring locations of residual stress on wheel

では，このことを考慮した力学モデルを用いたシミュレーションによって，実験結果を検討した．主に平板のビード上の残留応力に注目した．
５．１解析モデル7)

上記のことを考慮し，図１１に示す１自由度系力学モデルを用いた．振動方向がビード方向である．図１１(b)に示すように，ばねを釣合位置から Ze だけ引張った状態を考える．この場合，kZe が初期の残留応力（振動を加えない場合に生じる残留応力）となる．塑性変形を考Fig.10 Measuring locations of residual stress

慮するために，図１２に示す完全弾塑性復元力特性を考on each bead

慮した．Zr は速度の符号が変わったときの変位を表す．

ないようにした．エアシリンダは気圧が 0.1MPa で押付応答の振幅が比較的小さく，引張力を受けたときのみに力は 80N である．

塑性変形すると仮定すると，運動方程式は，溶接には自動炭酸ガスアーク溶接装置を用いた．ワイヤの径は 1.2mm，電圧は 24V，電流は 210A とし，溶接() ()m&y& + k y − u − Ze − Zp − + k y − u + Ze − Zp + = 0(1)

速度は 12.5mm/s となるようにホイールを回転させた．ビードの長さは約 80mm である．

yu

残留応力は平板および３．の場合と同様の処理をして，kX 線残留応力測定装置を用いて測定した．測定条件は表k１と同様である．図９に示すそれぞれの溶接箇所ａ,ｂ,mｃ,ｄのビード上で，ビード方向の残留応力を測定した．
それぞれの溶接箇所で図１０に示すように，20mm 間隔で 5 箇所測定した．溶接箇所ａおよびｃでは超音波振動を加えないで溶接し，溶接箇所ｂおよびｄでは超音波振動を加えて溶接した．
４．２(a)

実験結果

yu

表５に残留応力の測定値を示す．表の最下段には 5 箇所での測定値の平均値を示す．68.3%信頼限界は全てのwithout preloadzeze

測定箇所で 2MPa または 3MPa であった．超音波振動をk加えるとほぼ全ての測定点で引張残留応力が低減されてkいる．全体に，超音波振動を加えながら溶接すると，引m張残留応力が 20〜30%低減されることが明らかである．
平均値からもそのことが明らかである．
超音波振動荷重を加えながら溶接すると，引張残留応力が低減されていることから，改良した伝達装置で超音(b) with preload

波振動が良好に伝達されていたと考えられる．

Fig.11 Analytical model

５．理論解析
溶融直後の金属の降伏力は非常に低く，小さな外力で塑性変形を生じさせることができると考えられる．ここfTable 5 Residual stress (MPa)
Without vibration

With vibration

ａｃｂｄ

Ａ

150

120150120

Ｂ

120

110

10090Ｃ

110

100

10030

Ｄ

140

908070Ｅ501005050

Average114

1049672

Position

Fez-ZekZe0ZyZr

Fig.12 Perfectly-elasto-plastic forcedeformation relation＋−

ここで，Zｐ および Zｐ はそれぞれ左側および右側のばねの永久変形量を表す．入力に対する相対変位 z(=y-u)

算をしてもσf/σiの値は変わらない．この表は，いくつかのkZe/Fe（振動を加えない場合の残留応力と降伏力の比）の値に対する結果も示している．
この表から，すべての条件でσf/σiの値は１以下である．

に関する運動方程式は，&z& +2()ωnωz − Ze − Z p − + n222(z + Z − Z ) = −&u&

このことは，超音波振動を加えながら溶接をすると残留+e(2)p＋左側のばねが降伏した場合，すなわち z+Zｅ−Zｐ >Zｙおよび z& >0,のときに，運動方程式は，&z& +()(3)

ここで，ωn = 2k x / m は弾性範囲内の固有円振動数，Feは降伏力を表す． z& が負になる前に， z& =0 となったとき＋の変位を Zｒ+Zｅとすると，Zｐ は次式で与えられる．

Z p + = Z r + Ze − Z y(4)

その後は弾性範囲内の式(1)を用いる．右側のばねが降伏−した場合，すなわち z-Zｅ-Zｐ <-Zｙおよび z& <0 のときに，()Fe ωn 2+z + Ze − Zp + = −&u&(5)m2
z& が正になる前に， z& =0 となったときの変位を Zｒ−Zｅ

Z p − = Z r − Ze + Z yんだ．すなわち初期の残留応力が降伏力に近い条件を選んだ．凝固直後の降伏力は小さいことから，この条件が満たされていると考えられる．

６．結言
超音波振動を加えることによって残留応力を低減する手法を提案し，その有効性を検討した．
まず，基礎的なデータを得るために，平板の突合せ溶接によってこの方法の有効性を検討した．その結果，超音波振動を加えるとビード上で引張残留応力が大幅に低減されることが明らかになった．
次に，曲線部をもつ複雑な形状の構造物にこの方法を(6)−−された残留応力である．kZｐ が kZｐ と等しくないとき，両者は静的に釣合うものとする．振動を加えた後の残留応力は次式で与えられる．

) (Fyf = 0.5 k Ze − z p + + k Ze + z p −荷重を有効に伝達できるように，コイルばねを用いた伝達装置を製作した．超音波振動を加えない場合には引張さらに，エアシリンダを用いて伝達装置を改良した．
超音波振動を加えない場合には引張残留応力が発生するが，超音波振動を加えながら溶接すると引張残留応力がkZ ｐ および kZ ｐ はそれぞれ左側および右側で開放＋した．ホーンがホイールの回転中にも接して超音波振動ると引張残留応力が圧縮残留応力となる傾向がみられた．

その後は弾性範囲内の式(1)を用いる．

{(と一致する．また，kZe/Feが小さいほどσf/σiがやや小さくなる傾向がある．ここではkZe/Feが１に近い条件を選残留応力が発生するが，超音波振動を加えながら溶接す−とすると，Zｐ は次式で与えられる．

＋減されている．このことはこれまでの著者らの実験結果応用した．このような構造物として，ホイールを対象と運動方程式は，&z& −さいほど，すなわち入力振幅が大きいほど残留応力が低4)

ωnF
z − Ze − Zp − + e = −&u&m22応力が低減されることを示している．また，Fe/mYが小20〜30%低減されることが明らかになった．
これらのことから，ホイールのような曲線部をもつ構造物に対しても，超音波振動を加えながら溶接すると引張残留応力が低減されることが明らかになった．
溶融直後の金属の降伏力は非常に低く，小さな外力で塑性変形を生じさせることができると考えられる．以上)}(7)のことを理論的に検討するために，塑性変形を考慮した力学モデルを用いて振動解析を行った．その結果，超音式(7)は力の単位をもつが，単位面積当たりの力とすると波振動を加えながら溶接すると，引張残留応力を低減す応力になる．

ることができることを検証することができた．

3.2

解析結果

入力項 &u& は&u& = U sin ωt(8)で与えられる．平板での実験結果との対応を考え，入力の振動数 f = ω / 2π は 17.8kHz，固有振動数fn=ω/2πは 60Hzとした．いくつかのFe/mY（入力の振幅と降伏力の比）Table 6 Ratio of residual stress of specimen with vibration
to that without vibration
kZe/FeFe/mY
0.010.008

0.005

0.003

0.90.970

0.953

0.8810.670

力の比）の値を表６に示す．この表の値は試験片の固有0.80.966

0.948

0.866

0.632

周期(2π/ωn)の 10 周期後の値を示す．この時間以上の計

0.7

0.961

0.940

0.847

0.575

およびkZe/Fe（初期の残留応力と降伏力の比）に対するσf/σi( 超音波振動を加えた場合と加えない場合の残留応2)溶接学会，溶接便覧，丸善，1977，pp.1322-1329

4)青木繁・西村惟之・廣井徹麿・天野豊，振動を利用した溶接残留応力の低減（残留応力に及ぼす振動の影響および残留応力低減機構のモデル化），日本機械学会論文
集C編，61巻592号，1995，pp.4800−4804
5)青木繁・西村惟之・廣井徹麿，不規則振動を用いた溶
接残留応力の低減法，日本機械学会論文集C編，69巻686号，2003，pp.2783−2787
6)日本電子機械工業編，超音波工学，(1993)，コロナ社

3)Gnirss,G. Vibration and vibratory stress relief. Historical7) 青木繁・西村惟之・廣井徹麿，振動を利用した溶接残７．謝辞
本研究を遂行するにあたり，財団法人天田金属加工機
械技術振興財団の平成 15 年度研究開発助成金の交付を受けたことを記し，ここに深く感謝の意を表します．
文献1)須藤一，残留応力とゆがみ，内田老鶴，1994，pp.156-161

development, theory and practical application. Welding in the

留応力低減に対する解析モデル，平成 16 年度塑性加工春

World ，1988，26-11/12，pp.4-8

季講演会講演論文集，2004，pp.51-52