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けるかについて分かりやすく概説する．なお，疲労強度はじめにや破壊強度の基礎や，ここで取り上げた溶接部の力学的特徴がそれらの強度特性に及ぼす影響については，別号

溶接構造物においては，構造として期待する強度や変にて詳細に解説されるのでそちらを参照されたい．

形レベル以前で打ち切られてしまうような破断や破壊が生じることはあってはならず，必要な強度や剛性などの溶接継手部の力学的特徴と継手強度への影響因子

性能を維持しつつ，所定の期待される機能を満足させなければならない．従って，溶接構造設計の基本は，構造物の使用環境に応じてどのような損傷が起こりうるかを一般に，構造物の製作に溶融溶接を用いるとき，溶接想定し，損傷の条件を設定して継手に生じる応力・変形時に「熱」が与えられる．それも局部的に材料の融点以が設定した値以下になるように，材料を選定し，部材寸上，あるいはそれに近い加熱が行われるため，溶接部は法を決定することになる．対象溶接構造や想定される損

巨視的に均質と考えられる構造部材としての材料（溶接傷形態によって，各種の設計規格，規準や設計指針が策継手では「母材」とよばれる）とは異なった材質となる定されており，その適用を受ける構造物にあってはそれことが避け難い．従って，継手の「強度」は，このようらを遵守しなければならない．例えば，船舶および橋梁な溶接に伴う特性変化の影響を大きく受ける．

では静的強度に加え，脆性破壊の防止や，繰返し荷重に

図１は，鋼溶接継手部の主な力学的特徴をまとめたもよる疲労破壊の予防や耐候性を考慮した設計が求められのである．一般に，構造部材を溶接により組み立てる場る．また，建築鉄骨では静的強度が主であるが，兵庫県

合には，必然的に溶接部は構造的な不連続部となり，こ南部地震以後は，激震下における脆性破壊の防止を考慮

れが応力（ひずみ）集中をもたらす．さらに，溶接部近した設計／施工の必要性が指摘されている．

傍においては，前述の理由から力学的特性の変化は避け一方，溶接構造物の「強度」は，一般に溶接部の「強られず，その特徴を大別すると，度」で決まることが多いことから，所定の強度，性能・① 材質変化に伴う強度・延性などの強度的不均質の存健全性を確保するためには，溶接部の「強度」を支配す在（靭性的な不均質も存在），る要因を十分に把握した継手部の設計・施工，さらには② 溶接欠陥，継手の形状的不連続などによる応力（ひ材料選定が重要となる．

ずみ）集中源の発生，

本稿では，溶接構造設計を行う上で考慮すべき溶接継手の「強度」である静的強度（動的強度），疲労強度なら③ 溶接残留応力の存在，などに分けられる．

びに破壊強度特性のうち，最も基礎的な静的強度を取りこれらの溶接部に特有の力学的特徴が，継手の静的強上げ，溶接継手部に特有の様々な力学的特徴が継手強度度（あるいは動的強度），疲労強度および破壊強度（脆性にどのように影響するか，またなぜそのような影響を受破壊強度）に影響を及ぼすが，その影響度を整理すると表１のようになる．本稿では，継手の静的強度に焦点を絞り，継手強度を支配する溶接部の力学的特性の影響について，具体的な実験的根拠とともに，理論的，数値解
析的検討に基づく機構にも触れながら解説する．

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溶接接合教室−基礎を学ぶ− 大畑：溶接継手強度の基礎

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図１

表１

鋼溶接部の力学的特徴

継手強度に影響を及ぼす主な因子とその影響度(a) 実験結果1)
図２(b) 一般的傾向

完全溶込み突合せ溶接継手の継手効率に及ぼす欠陥度の影響

溶接金属の強度は母材の強度よりも50〜100 MPa 程度大きい，いわゆるオーバーマッチ継手が普通である．した

溶接継手の静的強度

がって，通常の突合せ溶接継手では，継手強度は母材と3.1

継手効率と溶接欠陥の影響同等，すなわちα＝100％ となる．しかし，溶接部に著し一般に，溶接継手の引張強度の程度は，母材の強度にい欠陥が存在する場合には，継手効率が 100％ 以下とな対する比で表される次式の継手効率αで評価されることる場合がある．図 2 (a) は，軟鋼を対象に，ブローホール，が多い．

スラグ巻込みや融合不良など，立体的な丸みを帯びた欠α＝σTJ/σTB(1)

陥が存在する場合の欠陥度（破断面積に占める欠陥の面

ここで，σTJ：継手の引張強度，σTB：母材の引張強度積率）と静的強度の関係を示したものである1)．(b) 図にで，このαの値は必ずしも１（＝100％）にならないのがその傾向をまとめるように，継手の静的引張強度は比較

溶接継手の静的引張強度の特徴である．

的，溶接欠陥度に鈍感であり，欠陥度が 5％ 程度までは一般に，突合せ溶接継手（完全溶込みの場合）の場合，強度低下がほとんど生じない．
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3.2

形状的不連続の影響

σJ＝α×σW

溶接構造物では，巨視的に見ても構造的な不連続は避(3)

ただし，α：応力集中特性によって決まる継手形式およけがたく，巨視的応力集中が生じるが，さらに，溶接部び荷重の種類によって決まる係数

特有の形状的不連続のために生じる比較的局所的な応力

σW：溶接金属の引張強さ（または降伏応力σYW）

集中源が存在する（図１参照）．図３は，溶接継手の代表

簡単な材料力学的手法に基づくと，引張り負荷を受け的な「突合せ溶接継手」と「すみ肉溶接継手（荷重伝達る等脚すみ肉継手の強度σYJ（降伏強度）は，図４から，型）」を取り上げ，一様な引張り外負荷を受ける場合の溶のど断面に作用する応力場が降伏条件（Mises の降伏条接部の応力分布を定性的に示してある．

件）を満たすときと想定すると，次式のように求められ突合せ溶接継手の余盛止端部では，応力集中係数（平る．

均的な応力に対する集中応力の大きさ）は 1.2〜3 程度（降伏条件）(4)（継手の降伏強度）（溶接材料や溶接法に依存する）になるが，継手の引張強度を低下させるようなことはない．
一方，すみ肉溶接継手部は幾何学的にも複雑な形状を実際には，すみ肉部の降伏や破断は，引張り外力の方向しており，引張り負荷を受けるとルート部や余盛止端部に対して20〜30°傾いた断面で生じることから（溶接金属に大きな応力集中が生じ，溶接金属内で応力分布が生じの強度が母材の強度に比べて極端に大きくない場合），厳る．そのため，継手の強度は突合せ継手の場合に比べて密にはこのような単純計算では評価できないが，図５に一般に劣る．

示すように，降伏断面を考慮した厳密な理論計算に基づ

すみ肉溶接継手の強度は，通常，式（2）で示すように，応力分布に起因してどの断面で破断（あるいは全面降伏）いた結果 2)（図中，すみ肉角度θf＝45°のとき）と比較的良い一致を示す．

が生じようとも「のど断面当たりの強度」で表される．
σJ＝P/al(2)

すみ肉溶接継手の降伏強度は，図６に示すように，脚長の影響をほとんど受けないことが実験的に得られていここで，P：継手の降伏荷重または破断荷重，a：のどる3)．しかし，引張強度には脚長の影響が見られ，脚長が厚，l：溶接長極端に小さい場合には，材料の引張強さにほぼ一致する

この継手強度（降伏強度または引張強度）は，一般に式が（αT＝1），20 mm 以上となると引張強度は低下し，材（3）で与えられる．

料の引張強さの約 0.8 倍（αT≒0.8）で一定となる．これ(a) 突合せ溶接継手(b) すみ肉溶接継手（荷重伝達型）
図３

すみ肉継手の全面降伏強度の理論計算結果2)

引張り負荷を受ける溶接継手の応力集中の例

図４52

図５

等脚すみ肉溶接継手に生じる応力

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は，脚長が大きくなると，すみ肉部において荷重を分担用する）場合の継手の応力・ひずみ挙動を示している．

する領域が相対的に小さくなることが原因する．

一様な引張りひずみを受けると，初めのうちは一様に応

表２に，引張り負荷を受けるすみ肉溶接継手の実験お力が増加するが，引張残留応力が存在している領域は直よび理論的研究により得られている降伏強度比および引ちに材料の降伏応力に達し，応力分布は曲線（1）のよう張強度比を総合してまとめている4)．側面すみ肉溶接継手になる（この領域ではみかけの降伏応力が低下している）．

においては，破断はすみ肉溶接部ののど断面でせん断にさらに負荷を与えると，既に塑性化した溶接部では応力より生じ，その強度は溶接金属のせん断強度と概ね等しが材料の降伏応力程度に保たれながら，徐々に塑性域がくなる．

拡大して曲線（2）のようになるが，継手の平均応力（荷3.3

残留応力の影響重／総断面積）・ひずみ曲線の勾配は残留応力の無い場

溶接部近傍には，一般に溶接線方向に降伏点レベルの合よりも小さくなる．しかし，この状態では，継手全体引張残留応力が生じているが，この残留応力は溶接線方としての大きな変形はなく，継手全体で大きな変形を生向に引張荷重を受ける場合の静的強度や破断延性にはほじ始めるのは全断面降伏に達したときである（3）．このとんど影響を与えない ．溶接残留応力の生成機構やそのときの継手の平均応力である全面降伏強さσYJ は，見かけ特徴については，別号にて詳細に解説されるのでそちらの降伏応力σYa＝σY−σr の平均値に等しく，残留応力のを参照されたい．

自己平衡性から式（5）で与えられる．

5)

図７は，一例として，残留応力分布σr (0) をもつ突合せ
溶接継手に，一様な荷重を与える（一様なひずみεが作s YJ =2WÊˆÚ (s - s ) dx = W Ú s dx ÁËQ Ú s dx = 0˜¯W 22Y

W 2r0Y0W 2r(5)0

このように，継手の降伏応力は残留応力には無関係で，横断面上の各部の材料の降伏応力σY の平均値に等しい．
また，継手の引張強度や破断延性も残留応力の無い場合とほとんど変わらないことが確かめられている．
3.4

強度的不均質の影響

実溶接構造物では，継手部における溶接金属の強度が母材の強度よりも高いオーバーマッチ継手が採用される
ように，一般に，溶接継手部には巨視的に見て強度的な不均質が存在する．さらに，前述のように，溶接熱影響部においても材質変化に伴い強度・延性などが変化し，一般に強度的不均質の存在は避けられない．このような強度的な不均質の存在が継手の静的強度にいかに影響す
図６

すみ肉継手の降伏強度および引張強度に及ぼす脚長の影響の実験結果3)

表２

図７

るか，またどのような条件下で影響がでるのかを把握しておくことが，継手設計上，重要となる．

引張りを受けるすみ肉継手の強度比4)

残留応力をもつ突合せ溶接継手の応力・ひずみ挙動
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不均質材の静的強度の決まり方を大別すると表３に示と書ける．これより，継手の降伏強さσYJ は，す二つの形態に分けられる．

s YJ =

以下にこれらの強度形態の特徴と支配要因について概説する．
（1）混合則型の強度形態

HH
s YW + (1 - )s YB
WW(8)となる．このように，継手引張強度について混合則が成いくつかの異なる強度をもつ材料からなる継手の強度り立つということは，溶接継手は設計上，板幅［W＋HσTJ が，各材料の強度σTi とその体積率 Vi のみによって式(σTW/σTB)−1］の均質母材として取り扱えることを意味（6）で表されることを，混合則に従うという．

している（図８中参照）．
一方，継手の引張強度は，両材の加工硬化指数に依存

ni is T = Âs T V(6)iする．図 9 (a) に示すように，加工硬化指数（図では真応力 s-真ひずみ e 関係が Ludwik の式 s＝ken に従う場合の n

溶接継手において，このような混合則に従うものとして，を用いて表示）がほぼ等しい場合には，継手強度も混合

図８に示すように継手が溶接線方向に引張り負荷（縦引則に従う．一般には，強度が高いほど加工硬化指数は小張り）を受ける場合がある．この場合，母材の応力-ひずさく，この場合には同図（b）に示すように，応力-ひずみ関係をσB(ε)，溶接金属のそれをσW(ε) とすると，継み関係は混合則に従うものの，継手強度については厳密

手全体の平均応力-ひずみ関係σJ(ε) は，には成り立たない．しかし，図10に示すように，400 MPaH
Hs (e ) = s W (e ) + (1 - ) s B (e )WWJ

表３級および 780 MPa 級の鋼溶接継手について実験で調べら(7)れた継手引張強度はほぼ混合則で決まっており6)，工業的強度的不均質材の静的引張強度を決める強度形態とその特徴

図９
図８

縦引張りを受ける溶接継手

図1054

縦引張りを受ける強度的不均質継手の応力-ひずみ関係と混合則

縦引張りを受ける強度的不均質継手の強度6)溶接接合教室−基礎を学ぶ− 大畑：溶接継手強度の基礎

683には縦引張りを受ける強度的不均質継手の強度はほぼ混

手強度は母材強度より低下する場合がある．このような合則に従うと考えてよい．

低強度部を含む継手の強度を支配する因子は，① 低強度部の相対厚さ Xh（＝低強度部厚さH／継手板（2）変形拘束型（塑性拘束型）の強度形態
一般に，溶接金属の強度が母材強度よりも高いオーバ厚 h）

ーマッチ継手が，溶接線に垂直に引張り負荷を受ける場② 継手の幅厚比 W/h（W：板幅，h：継手板厚）合の継手強度は母材の引張強度と同等になる．しかし，③ 軟質度 Sr（＝低強度部の引張強さσTS／母材の引張強逆にアンダーマッチ継手（溶接金属強度＜母材強度），あさσTB），るいは溶接金属の強度が母材強度と同程度以上であっての三つであり，相対厚さ X h が小さいほど，幅厚比 W/hも溶接熱影響部（HAZ）が軟化した継手においては，継が大きいほど，また軟質度が Sr が大きいほど継手強度σTJ

図11

低強度部を含む丸棒継手の引張変形挙動と塑性拘束

図12 低強度部を含む継手の引張強度に及ぼす板幅の影響7)(a) 丸棒継手
図14

図13 低強度部を含む継手の引張強度に及ぼす軟質度の影響6)(b) 十分広幅の継手
低強度部を含む継手の引張強さの評価式6，8)
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は大きくなる．これは，図11に丸棒継手を例に示すよう度」である静的強度に及ぼす影響についてその機構に触に，与える負荷レベルが低強度材の降伏応力を超えると，れながら分かりやすく解説した．溶接継手設計を行うた

低強度部の塑性変形が隣接する高強度材によって拘束さめの各種の設計規格・規準や設計指針が策定されているれ（この現象を変形拘束あるいは塑性拘束という），低強が，その根拠や技術的背景を理解することは重要で，本度部では多軸応力状態となることに起因している．つま稿が一助となれば幸いである．

り，低強度部において同じ変形量（塑性変形）を生じさせるのにより大きな引張り方向応力が必要になり，結果として継手の引張強度が大きくなる．なお，図12に示す
ように，幅厚比 W/h > 7〜10 となると，継手強度σTJ は板幅が十分に大きな継手（広幅継手）の強度とほぼ等しくなる7)．また，相対厚さにもよるが，図13に示すように，軟質度 Sr が約85〜90％ 以上になると広幅継手の引張強度は母材強度とほぼ同等となる6)．
このような実験および強度解析の結果を基にして，図14に示すような低強度部を有する継手の引張強度を評価する簡便式が提案されている6，8)．

おわりに
本稿では，溶接継手部に特有の様々な力学的特徴を述
べ，溶接構造設計を行う上で考慮すべき溶接継手の「強56溶接接合教室−基礎を学ぶ− 大畑：溶接継手強度の基礎

参考文献
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継手の力学的挙動と強度に関する研究（1975）．