139

はじめに
本報告は溶接管理技術者１級の習得を目指す読者を対象に，溶接学会編「溶接・接合技術特論」の記述を補う形で記述している．

溶接残留応力・変形の発生原因と支配因子
1.1
1.1.1

溶着金属の収縮能力と残留応力・変形溶着金属の収縮能力溶接により残留応力と変形が発生する原因は溶接入熱による温度変化である．溶接では，図１に示すように２枚の別々の母板が開先部（矩形領域とする）で溶接（溶図１着）されて一体になる．すなわち，ドットで示す溶けた溶着金属の収縮金属である溶着金属（鋼は約 1500℃ で溶ける）が開先部に溶着されて，室温（図では 20℃ と仮定）まで冷却する
温度変化過程で変形・残留応力が生じる．ドットで示す

ρ(g) を溶融するのに必要な熱量は c・(BW hρ)･(θmelt−θ0)

矩形領域の溶着金属が母板と分離していれば，冷却後に( J) となり，溶接長 1 mm 当たりに投与された溶接入熱は斜線の矩形形状に一様収縮（変形）できる＊．と等しくなる．すなわち，Qnet = cρBW h(θmelt−θ0) ---------------------(1)（一様収縮の求め方）：難しく感じる人は飛ばすこと，＊

ただし，記号の意味だけは理解すること．

一方，溶融温度から初期温度まで冷却するときに生じる熱ひずみは 1℃ 温度変化するときに生じる熱ひずみでこの収縮量は溶接入熱 Qnet (J/mm) と溶着金属の寸法である線膨張係数を使用するとα(θmelt−θ0) となるから，あるのど厚（ここでは母板の板厚と同じ） h(mm)，長さ溶接線方向の収縮量はα(θmelt −θ0)・L(mm)，溶着金属

L(mm)，幅 BW(mm) および材料定数である線膨張係数α(℃ −1)，密度ρ(g/mm3)，比熱 c( J/g℃) の情報で決まる．
溶着金属の溶融温度θmelt (℃)，心線の初期温度をθ0(℃)とすると，溶接長 1 mm に溶着される金属量 BW・h・1・幅方向の収縮量はα(θmelt −θ0)・BW (mm) となる．式 (1)を使用すると，溶接線方向の収縮能力：溶接線幅方向の収縮能力： α (θ melt − θ 0 ) BW =となる．
溶接学会誌

α Qnetcρh

第 78 巻（2009）第２号

55

140

図２

溶接残留応力の発生機構模式図

力の発生機構を図２に示す簡単なモデルで考える．溶着金属の部分が W の板に，母材部分が B の板に相当する．
W と B の板が剛体板（まったく変形をしない板）に固定されている．
溶着直後を図 (a) に示す初期状態として，冷却過程を考える．W の板は冷却にしたがって収縮し始めるため，引張応力が発生する．
図３に示すように，金属は高温になると降伏応力が低下するため，冷却過程では W の引張応力はすぐに引張りの降伏応力に達し，室温（20℃ と仮定）まで引張降伏応力状態で移行する．一方，B の板は W の板の収縮を拘束するため，圧縮力を受け，圧縮応力を発生する．
残留応力が図 (b) のようになることは，図 (c) の状態を図３考えると理解しやすい．図 (c) は図 (a) の初期状態におい炭素鋼の降伏応力の温度依存性て，W の一端を剛体板から切り離して，常温まで冷却した状態であり，W の板には一様収縮が生じている．図(b) の状態を図 (c) から作るには，W に生じた一様収縮を，上記の考察よりW に引張力を加えて引き伸ばし，剛体板に固着すること（ポイント）
・収縮能力は溶接入熱，線膨張係数，比熱，密度の影
1.1.2である．W の板には大きな引張りの応力が発生して引張降伏応力になり，この W の引張り力と釣合う圧縮力が B響を受ける．

（母材）部に生じ，圧縮応力となって，図 (b)の残留応力

溶着金属の収縮による残留応力・変形

溶着金属は，実際には母板と一体になっているために，分布になる．

溶着金属の一様収縮は母板による拘束により自由に生じ残留応力分布の特徴は外力が作用していないため，Wることができない．このため，一様収縮の一部は応力にに生じた引張応力の合力と B に生じた圧縮応力の合力が変化する．一様収縮を拘束すると残留応力が生じ，一様互いに釣合っていること，すなわち，必ず自己平衡形の収縮量から残留応力に変化した量の残りが溶接変形にな応力分布となることである．

る．したがって，残留応力と溶接変形は相反する関係に上記の考察よりある．
溶接線幅（直角）方向では収縮を拘束する部分がほと（ポイント）んどないため，収縮（横収縮という）S(mm) は溶着金属・残留応力と溶接変形は相反関係にある．の収縮能力に等しくなり，次式で与えられる．

・拘束がほとんどない溶接線直角（幅）方向の変形である横収縮は溶着金属の収縮能力である式 (2)で与α Qnet-------------------------------------------(2)cρh

えられる．したがって，溶接入熱や線膨張係数に比溶接線方向は拘束があるため，残留応力が発生し，変・溶接線方向の残留応力は溶着金属部で引張りの降伏形は小さくなる．図１に示す突合せ継手に生じる残留応応力となり，残留応力分布は自己平衡している．

S=56

溶接接合教室−基礎を学ぶ−

寺崎：3−4

例する．

溶接変形と残留応力

141

1.2

母材の収縮能力と残留応力となる．軟鋼では降伏応力が約 240 MPa，線膨張係数が溶着金属に与えられた熱は，周囲の母板に熱伝導する．

0.000012℃−1，ヤング率が約 200000 MPa であるから，式

このため，溶着金属すぐ隣の母材の最高温度は溶融温度(3) の右辺は 100℃ となる．室温を 20℃ とすると，最高温まで上昇し溶融する（溶着金属と母材の溶融金属を合わせ度が 120℃ になるところまで，圧縮塑性ひずみが発生し，て溶接金属と呼ぶ）．図 2(d) に示すモデルで母材のある部引張残留応力が生じていることになる．なお，図 2(d) の分（ B' とする）のみが，室温から最高温度θmax(℃) まで温

熱膨張が小さくない場合には，圧縮塑性ひずみ発生領域度上昇したときの熱応力を考える．温度上昇差（θmax−θ0）の最高温度は 120℃よりも大きくなることに注意する必（初期温度 20℃ をθ0 で表す）により，熱膨張するが室温の要がある．

母材部分の存在により，剛体板を通して拘束を受けるた

一方，溶接線方向に y 軸を取り，板幅方向に x 軸を取め，B' には圧縮の熱応力，B には引張りの熱応力が発生る（図４参照）と，x 点の最高温度 θmax は次式で与えらする．ここで，母材 B' で溶融した部分を考えると，降伏れる．

応力は図３よりゼロであるから，熱応力は発生しなくなり，図 2(d) は図 2(a) と同じ状態になる．冷却過程では母材 B' と溶着金属 W は同じである．したがって，母材で溶融した部分の溶接線方向の収縮能力は溶着金属と同じになる．

したがって，θmax が θp となる位置 xp(mm) は次式となる．

降伏応力がほぼゼロと見なせる力学的溶融温度（図３------------(4)では約 800℃）以上に最高温度上昇する部分の収縮能力は溶着金属の収縮能力式において，溶融温度θmelt を最高温度θmax に変更したα(θmax−θ0)L で与えられる．収縮能力をひずみで表すと溶融温度部分の収縮ひずみ能力：α(θmelt−θ0)，

式 (4) より，引張残留応力の発生領域は溶接入熱，ヤング率，線膨張係数に比例し，降伏応力，板厚，比熱，力学的溶融温度と溶融温度の間の部分での収縮ひずみ密度に反比例することが分かる．

能力：α(θmax−θ0)（固有ひずみについて）難解なので難しく感じる人は飛ばすことで表される．
では，力学的溶融温度以下の部分の収縮ひずみはどう

固有ひずみの概念は外力が作用していなくても，物体考えるのか．図 2(d) に示しているように，初期状態から内部に存在する残留応力（固有応力の一種）を説明する膨張している．したがって，最高温度からの収縮ひずみひずみとして使用されている．

α(θmax−θ0) から膨張量を長さ L で割って求めた膨張ひ

溶接では液体となる溶着金属のひずみを考えるためにずみを除くと得られる．答えは複雑であり，ここではこ必要となる．ほとんどの場合は残留する塑性ひずみと等れ以上の検討を行なわない．

価である．今回使用した収縮ひずみは固有ひずみの発生

両端固定棒モデルは図 2(d) の膨張量が図 (c) の一様収要因であるが，冷却後の圧縮塑性ひずみを考えていない

縮に比較すると小さいから，ゼロと仮定し，図３の降伏ため，固有ひずみではない．収縮ひずみに冷却過程で発応力の温度依存性も一定と考えたモデルである．すなわ

生する塑性ひずみを加算すると固有ひずみとなる．

ち，図 2(d) の剛体板は温度加熱・冷却過程で，図 (a) の位置から動かないと考えるモデルである．このモデルを上記の考察より使用すると，引張残留応力が発生する領域が検討できる． （ポイント）
図 2(d) の B' 部分に最高温度で，圧縮の塑性ひずみが生じ・温度上昇過程で発生する圧縮塑性ひずみが母材の収ない場合は，冷却後の残留応力はゼロとなる．最高温度

縮能力を作る原因であり，軟鋼では約 120℃ に温度で B' 部分に，圧縮の塑性ひずみが生じて室温に戻ったと上昇する部分に圧縮塑性ひずみが生じ，引張残留応き，圧縮の塑性ひずみを受けただけもとの長さよりも短くなるため，引張りの応力が発生する．すなわち，温度上昇過程で圧縮塑性ひずみが発生したことが，引張残留応力の発生原因となる．
（圧縮塑性ひずみ発生領域について）難しく感じる人は飛ばすこと，記号の意味だけは理解すること．
降伏応力をσY(MPa)，ヤング率を E(MPa) とすると，降伏ひずみεY はσY/E となる．加熱過程で圧縮降伏する
最高温度θP は熱膨張ひずみが圧縮降伏ひずみになる条件
から
θp −θ0 =σy--------------------------------------------(3)Eα

図４

突合せ溶接継手での溶接線方向の残留応力分布
溶接学会誌

第 78 巻（2009）第２号

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142

(a) 溶接線直角方向の残留応力分布
図５(b) 片面溶接の変形と残留応力分布

溶接線直角方向の残留応力と発生原因力となる．
・引張残留応力（圧縮塑性ひずみ）の発生領域は溶接入熱，ヤング率，線膨張係数に比例し，降伏応力，板厚，比熱，密度に反比例する．

残留応力分布の特徴
突合せ溶接継手の残留応力分布

2.1

軟鋼の広い板（約 500 mm 角以上）の中央を突合せ溶接した場合に生じる溶接線方向の残留応力分布を図４に示す．
特徴：①溶接線方向にはビード付近で室温の降伏応力

図６

拘束度の定義と拘束応力σY に等しい引張残留応力σRyが生じる．
② x 軸上では，「残留応力の総和は零である」条件を満足するように，ビード付近の引張残留応力

縮残留応力は y 軸上において残留応力の総和が零であると釣合う圧縮残留応力がその両側に生ずる．

条件を満たすためである）．さらに，y 軸上での y 方向の③溶着金属の中心である y 軸上では，引張残留応力板端部での垂直応力 σRy がゼロになることが，端部で σRxが圧縮残留応力になる原因であるが，説明すると長くなσRyは室温の降伏応力σY に等しい．
④ y 軸上の両端近傍では，「表面に垂直な応力は零である」条件を満足するような分布となる．
また，冷却中に 500℃ 以下の温度で相変態を起こして体積が変化する鋼（例えば 9%Ni 鋼）では，冷却中の相変態膨張の影響を受けて，溶接線方向の引張残留応力は降伏応力より小さな値になる．

y 方向に拘束がある場合でも残留応力分布は図４とほるので省略する．

x 方向に拘束がある場合には，図６で説明する拘束度RF (N/mm・mm) から導かれる拘束応力σR が図 5 (a) のσRxに加算される．
拘束度は板幅 W(mm)，板厚 h(mm)，溶接長 1 mm（図６において，紙面に垂直な方向）の 2枚の板の間隔を1 mm 縮めるのに必要な力と定義される．したがって，とんど変わらない．理由は図２に示すように， y 方向に--------------(5)は大きな拘束があるため，更なる拘束は残留応力の発生にほとんど寄与しないからである．
溶接線に垂直な方向の残留応力σRxは x（溶接線 y 軸に溶接により横収縮 S(mm) が生じたときの単位溶接長当垂直）方向の拘束に影響される． x 方向の収縮が拘束さたりの拘束力 P(N/mm) および拘束応力σR(N/mm2) は次れない自由な状態では，σ xは小さな値となる．図 5(a)式となる．

Rに x 軸上および y 軸上でのσ x分布を示す．
R

特徴：溶接線上の両端で絶対値の大きな圧縮残留応力------------------------(6)になり，その他の部分で小さな引張応力になる．
発生原因は図 5(b) に示す y 方向の残留応力 σ y であRる．図４に示す突合せ継手を溶接線中心の y 軸上で切断

板厚 30 mm 以上の極厚板では多層溶接されるため，すして２枚板にすると，図 (b) に示すような片面溶接となりでに溶着されたビードが後続の溶接ビードが収縮するのそれぞれの板は図のように変形する．変形した２枚板をを拘束する．このため溶接線方向のみならず，溶接線直図 5(a) の１枚板にするためには，図 5(b) に示す x 方向の角方向（板幅，板厚の両方）にも大きな引張残留応力が残留応力 σ x を作用させる必要がある（溶接線両端の圧発生する．

R58

溶接接合教室−基礎を学ぶ−

寺崎：3−4溶接変形と残留応力

143

図７

片面（端面）溶接

上記の考察より（ポイント）
・軟鋼では，溶接線方向の残留応力は溶接部近傍で室温の降伏応力になっている．500℃ 以下で冷却中の相変態が生じる鋼（例えば，9%Ni 鋼）では相変態膨張の影響により降伏応力以下の値となる．
・溶接線に直角な方向である板幅方向の残留応力は小

図８

溶接変形の種類さな値であるが，板長さ端部では大きな圧縮応力が生じている．
・拘束は溶接線方向の残留応力にはほとんど影響を与はない．これは全面降伏時に，残留応力が消滅してしまえないが，溶接線直角方向である板幅方向の残留応うために，全面降伏後に現れる破断強度に残留応力が影力には影響を与える．

響しないからである．また，残留応力は自己平衡してい2.2

片面（端面）溶接の残留応力分布

片面（端面）溶接では図７に示すように，材料２（母板）に材料１（溶着金属）が溶着される．図１と同様にるため，残留応力を有する部材が全断面降伏するために必要な降伏荷重は，残留応力の影響を受けないことも注目する必要がある．
疲労強度におよぼす影響（向きが 90°異なっているので，x，y 軸に注意）溶着金属

3.2のみに収縮能力を与えると，図 5(b) のように回転変形と弾性域という比較的低応力下で，応力集中部を起点と残留応力分布が発生する．

する疲労破壊は，残留応力の影響を受ける．割れ，溶込

残留応力分布の特徴

み不良などの鋭い欠陥がある場合や，構造的に応力集中・溶接線直角方向は拘束がないから残留応力は生じな
い．
・溶接線方向：力がゼロ，曲げモーメントがゼロの部がある場合には，この部分から疲労き裂が発生しやすい．そこに引張残留応力が存在するときは，疲労挙動における平均応力を上昇させた効果と等価となり，疲労強条件を満たすため度はさらに低下する．逆に，溶接止端部表面にピーニン①溶接線側の端部近傍では，室温での降伏応力に等グや焼入れ処理により，圧縮残留応力場を形成すると平しい引張残留応力

均応力が負となり，疲労強度は改善される．

②その外側では，これと釣合う圧縮残留応力があり，低サイクル疲労の場合には，残留応力は疲労強度にあ反対側端部に向かって，圧縮残留応力から引張残まり大きな悪影響を与えない．これは疲労き裂の発生以留応力になる直線分布

前に，高い応力の繰返しにより残留応力が減少し残留応

材料１の溶着金属がオーステナイト系ステンレス鋼で，力の影響が消失するからである．
ぜい性破壊におよぼす影響

材料２が軟鋼である場合には，線膨張係数がα1 >α2 とな

3.3り，α1 =α2 の同種材料の場合より収縮能力がさらに大き切欠き部に引張残留応力が存在すれば，それだけ高いくなり，回転変形が大きくなる．

荷重が加わったのと同じ効果があり，引張残留応力がな金属とセラミックス，あるいは異種金属同士が接合さい場合よりもはるかに低い応力でぜい性破壊が起こる．

れるような場合には，接合温度（θmax とする）から一様圧力容器などでは規格によりある板厚（30〜40 mm）以に室温 θ0 に冷却されても，それぞれの材料の線膨張係数上では，残留応力除去を要求している．の相違に起因した収縮能力差により回転変形と残留応力が生じる．材料１の収縮能力α1(θmax −θ0) が材料２の3.4

座屈と応力腐食割れにおよぼす影響

残留応力，特に圧縮残留応力は，構造物の座屈強度を収縮能力α2(θmax −θ 0) より大きいα1 >α2 の場合には，低下させる．応力腐食割れ（SCC）は，鋼が特殊な環境

図 5(b) と同様な変形と残留応力になり， α1 <α2 の場合にの中で引張応力を受けるときに生じる現象であるから，は，図 5(b) と逆向きの変形と残留応力になる．

溶接による引張残留応力の存在は，応力腐食割れを一般に促進する．

残留応力の影響
溶接変形
3.1

静的強度におよぼす影響

軟鋼や低合金鋼のように延性に富む材料では，溶接部

溶接熱による不均一膨張と冷却中の収縮の結果，溶接の静的破壊は塑性変形後に起こるため，残留応力の影響

物は，図８に示すような各種の変形を生ずる．これらは，溶接学会誌

第 78 巻（2009）第２号

59

144

図９

縦収縮を作る力

図10

ビード溶接での軟鋼の角変形

一般に組み合わさって発生する．
4.1

横収縮

横収縮は図 8(a) に示す溶接線に直角方向の収縮である．
１層１パスで溶接した場合の横収縮は前述したように溶接部の収縮能力に等しく，式 (2) で与えられる．横収縮は板厚に反比例し，溶接入熱 Qnet(J/mm) に比例する．
多層溶接では開先の断面積が横収縮量の大きさの目安となる．溶着金属量が増えると，開先を仕上げる総入熱が大きくなって横収縮量も大きくなる．
4.2

図11

縦収縮

角変形が小さくなる理由

縦収縮は図 8(b) に示すように溶接線方向の収縮のことであり，溶接線中央が最も収縮する．縦収縮は溶接線方向の残留圧縮塑性ひずみより導かれる引張残留応力に起の違いなどによって収縮量が非対称になり，図 (d) のよ因して生じている．縦収縮は横収縮に比べると小さいが，うな角変形を生じやすい．V 形開先の多層盛りでは，角造船や橋梁の溶接構造物では，溶接長が長くなり無視で変形が一方向に大きく起こり，X 形開先では，片面の溶きない値となる．

接による角変形が反対面の溶接によって逆方向にある程板全体としての平均縦収縮ΔLav(mm) は図９に示す残度修正される．角変形は溶接層数が多いほど大きく，太留圧縮塑性ひずみの総和から得られる収縮力 FT(N) から径ワイヤを用いるサブマージアーク溶接のほうが，被覆計算され，次式で予測できる．

アーク溶接よりも角変形は小さい．
T 継手すみ肉多層溶接の場合の角変形量δ(rad) はほぼ-----------------------------------(7)層数に比例して増加する．

----------------------------------(8)

７：裏３に振り分け，被覆アーク溶接で，初めに表側を，厚さ 20 mm 程度の，X 形開先の両面の開先深さを，表ただし，次に裏はつり後に裏側を溶接すると角変形は最終的には4.3ほぼ零になる．

縦曲り変形

縦曲り変形は図 8(c) に示すように縦収縮の中心が溶接

板厚 h の板にビード溶接したときの角変形量は図10に継手の横断面の中立軸と一致しない場合に生じる溶接線示すように，板厚 h が一定のとき，ある入熱のときに最方向の曲り変形のことである．縦収縮により生じる曲げ大となり，その前後の入熱では小さくなる．これは図11モーメントが原因である．すみ肉溶接組立てによる T 形に示すように，小入熱のビードでは板の表面と裏面の収梁や単シームの溶接管などで問題になる．縦曲り変形は縮量の差で生じる曲げる力が板の変形抵抗（曲げ剛性）式 (8) の収縮力に中立軸と収縮力の作用点との距離を乗に比べて不足するため，また大入熱では板の裏面も収縮算した曲げモーメントにより予測できる．

するようになり，板表裏の収縮量の差で生じる曲げる力4.4が減少するため，角変形が小さくなるからである．板厚角変形（横曲り変形）

角変形は図 8(d) に示すように溶接線に垂直な断面における面外変形である．厚板の突合せ溶接では，板の表面と裏面で溶接順序にともなう拘束の程度の違い，溶着量60

溶接接合教室−基礎を学ぶ−

寺崎：3−4h が変化した場合に角変形が最大になる入熱は，溶接入熱 Qnet( J/mm) を板厚 h の２乗で除した入熱パラメータ
Qnet /h2(J/mm3) で決まる．これは図11に示す圧縮塑性ひず

溶接変形と残留応力

145

み発生領域の面積が溶接入熱の２乗で決まること，板厚に対する圧縮塑性ひずみ発生領域の板厚方向の寸法比が角変形を決める主要因であることから導かれる．
4.5

回転変形

回転変形は図 8(e) に示すように開先が溶接中に開いたり，閉じたりする変形である．アーク熱による膨張と溶融池のすぐ後方での収縮が原因である．１層１パスの溶接では，溶接熱源の移動前方に仮付けなどの拘束がある
場合には，溶接進行中に左右の板が，図 (e) のように回転してルート間隔が減少し，拘束がない場合にはルート間隔は開く．したがって，一般には仮付けやストロングバックなどを適当に配置して，その開口変形を押さえることが行われる．
また，小入熱で溶接される被覆アーク溶接では，大入熱で溶接されるサブマージアーク溶接よりも回転変形は小さい．片面サブマージアーク溶接の終端割れの原因と図12なる引裂き力は，この回転変形が主要因となっている．
4.6

低温応力低減法座屈変形

座屈変形は図 8(f) に示すように，平板が溶接により馬の鞍形のように変形する溶接変形である．薄板は曲げ剛保持して徐冷するのが普通である．低合金鋼（例えば，性が著しく小さいために，溶接線方向の圧縮残留応力に2.25Cr-1Mo 鋼）では保持温度を約 680℃ に，板厚 25 mm

より座屈変形が生じ易くなる．また，座屈変形は板長さ当たり１時間保持して，徐冷するのが普通である．焼入（溶接長に同じ）の２乗に比例して発生しやすくなる．

れ焼もどし鋼では，PWHT における保持温度は焼もどし温度より低い温度とするのが原則である．普通は大形の溶接残留応力・変形の低減法

加熱炉に入れて均一に加熱する．しかし，構造物が大きすぎるときは溶接部を挟んだ溶接部付近のみを加熱して残留応力と変形は相反する関係にあるため，両者を同局部的に熱処理する方法がとられる．

時に軽減する唯一の方法は溶接熱を小さくすることであPWHT は残留応力の除去ばかりでなく，熱影響部硬化る．溶接熱が同じ場合には，厚板では拘束を小さくして層の軟化と延性の回復，溶接部の水素の放出，切欠きじ変形を発生させ，残留応力を軽減することを図り，溶接ん性の回復および精密機械の寸法の狂いの防止に効果が割れの発生を防止する．一方，薄板構造では残留応力値ある．圧力容器では，溶接部のじん性が十分でない鋼で，が大きくなっても，溶接割れが生じないため，拘束を大板厚 38 mm を超える場合には，原則として PWHT が要きくして変形の防止を図る．

求されている．また，応力腐食割れの懸念があるときは，

5.1

残留応力低減の方法

よく PWHT が利用される．

溶接残留応力の発生原因は，溶接部およびその近傍に

上記①の方法として，機械的応力低減法（溶接部を局残存する圧縮塑性ひずみである．溶接後に残留応力を低部的に降伏させる）がある．溶接線方向に降伏応力程度減するには，の応力を生じさせる引張荷重を作用（溶接部を局部的に①溶接部およびその近傍に引張りの塑性ひずみを与えて，残留する圧縮塑性ひずみを低減する．

降伏）させて除荷すると，残留応力が除去できる．（溶接接合教室，3-3

溶接継手強度の基礎．3.3 項参照）

②板に残留する圧縮塑性ひずみの発生領域を大きくし

上記②の方法として，低温応力低減法がある．図12にて，溶接変形（縦収縮）を生じやすくし，溶接部の示すように，溶接線をはさんで，幅約 150 mm を移動ガ

残留応力値を小さくする．ことである．

ス炎で 200℃ に加熱し，急冷させる低温応力低減法は加上記①の方法として，溶接部を加熱する方法と機械的熱過程で溶接部に引張りの塑性ひずみを与えて，圧縮塑処理（溶接部を局部的に降伏させる）を行う方法の二つ性ひずみを低減する上記①の効果と，200℃ に加熱した領がある．このうち特に重要なのは熱的方法の溶接後熱処域に圧縮塑性ひずみを発生させ，圧縮塑性ひずみの発生理（PWHT）である．金属は，高温になると降伏点が著領域を溶接部近傍で広げて，溶接変形（縦収縮）を生じしく低下し（図３参照），塑性ひずみが生じやすくなる現やすくして，溶接部の残留応力値を小さくする上記②の象と，応力をかけたまま高温に放置すると，クリープ変効果を複合させて，残留応力値を低下させる方法である．

形により応力が緩和する方向にクリープひずみ（塑性ひずみの一種）が生じる現象がある．

5.2

溶接変形の影響と防止・低減方法

角変形，縦曲り変形などの面外変形が生じると，図13

PWHT では残留応力のある溶接部を適当な高温に保持に示すように，部材の軸心が直線からずれるため，二次すると，残留応力は小さくなる．その程度は保持温度が的な曲げ応力が生じ，静的強度，疲労強度，ぜい性破壊高いほど，また保持時間が長いほど著しい．軟鋼では約強度，座屈強度などが低下する．このため面外変形はで600℃ に，厚さ 25 mm 当たり１時間（50 mm なら２時間）きるだけ小さくしなければならない．
溶接学会誌

第 78 巻（2009）第２号

61

146

図13

角変形による軸心のずれと曲げ応力(a) ローラによるひずみ取り
図15

5.2.2

(b) プレスによるひずみ取り

機械的方法による溶接変形の矯正

溶接変形の矯正方法

一度生じた変形を矯正する方法には「機械的方法」と「熱的方法」とがある．
(a) 機械的矯正法
冷間塑性加工による矯正法で，図15に示すように，ローラ，プレスなどで矯正する．設備的な制約があり，比較的小形の部材，構造物に適用される．厚板の多層溶接の角変形を小さくするために，各層の溶接金属をピーニングする方法がある．
(b) 熱的矯正法
図14

突合せ継手の溶接変形防止対策

局部加熱急冷法（お灸，線状加熱など）によって収縮させ，矯正する方法で，熱源としてはガス加熱炎が通常用いられる．比較的薄板の場合には，加熱直後に水冷すると効5.2.1

果が大きい．これらの作業には，経験や熟練を要するうえ

溶接変形防止対策

一般に，溶接変形に影響する因子は，溶接入熱，予熱に，加熱・急冷により材質が変化するので，作業者の訓練や温度，板厚と継手形状，拘束状態，溶接順序と溶着順序施工管理に注意しなければならない．また，収縮によっておよび溶接方法などであり，これらを制御することによ長さが短くなる欠点があるので，注意を要する．

り溶接変形を小さくできる．
溶接変形の軽減のための一般的原則を以下に示す．

おわりに（溶接設計での変形防止対策）①形材の採用などによる溶接箇所の減少や，溶接箇所溶接変形と残留応力を平易に説明したつもりですが，分からない部分があれば，ご指摘下さい．専門家の文章の必要以上の接近を避ける．
②開先形状は X 形あるいは H 形として，面外変形をは読みにくいとよく伺います．これは専門家が優しいと思っている文章が初めて読む読者にとって，難解なこと小さくする．
③面内の収縮に対してはできるだけ自由にし，収縮量をあらかじめ見込んだ部材寸法をとり，矯正困難なが原因です．是非とも難解な部分をお教えいただけるとと幸いです．

面外変形を抑制するような継手配置を図る．
④比溶着熱の小さい溶接法を選定する (被覆アーク溶接よりもマグ溶接が小 )．
（溶接施工での変形防止対策）①溶接入熱をできるだけ小さくする．
②開先精度の向上 (ベベル角度，取付精度の向上)を図る．
③ストロングバックなどのひずみ防止ジグによる拘束

参考文献
基本事項の解説であることと，論文でないので省略する．なお，教科書としては下記の本が有名である．
1．溶接力学とその応用，渡辺正紀，佐藤邦彦，朝倉書店（ 1965年）
2．溶接変形と残留応力，木原 博，増淵興一，産報（1955）
3．溶接変形・残留応力，佐藤邦彦，上田幸雄，藤本二男，産報（ 1979）を行う（図14(a) 参照）．
④適切な溶着法と溶接順序を選ぶ．
⑤あらかじめ溶接部材に逆方向に角変形を与えた状態で溶接すると，最終的に角変形をほぼ零にすることができる方法である逆ひずみ法（図14(b) 参照）を謝

文中の図面作成をしていただいた，九州工業大学の北村貴典先生に感謝いたします．

採用する．

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溶接接合教室−基礎を学ぶ−

寺崎：3−4辞

溶接変形と残留応力