技術解説

残留応力測定概論（その 2：コンター法による残留応力測定）
高倉

大典 *1

Takakura Daisuke（1）

前号 で述べたように、部材内部の残留応力は部材加工における形状精度や製品寿命に大きく影響を及ぼす。そのため残留応力の適切な予測が非常に重要となっており、特に近年は部材内部の応力測定のニーズが高まっている。本号では、厚板の電子ビーム溶接試験体の残留応力測定を例に挙げ、コンター法について説明する。
キーワード：残留応力測定、コンター法、DHD 法、破壊、応力解放法、厚板状を平面に戻す計算によって切断前の残留応力を

1. コンター法の残留応力測定原理および特徴（2）測定する手法 であり、切断面の法線方向応力が残留応力測定には図 1 に示すようにさまざまな二次元マップとして得られるという大きな特徴を手法が用いられており、測定の目的など種々の条持つ。

件から適切な測定法を選定する必要がある。今回

2. コンター法による厚板の残留応力測定事例説明するコンター法は、図 2 に示すように対象を2.1 測定対象測定位置で切断することで生じる切断面の微小な検討対象は図 3 に示す厚板の円筒容器（外径面外変形形状を詳細に計測し、計測した切断面形

図1*1：計測事業部

図2

代表的な残留応力測定手法

計測技術部

磯子グループ（2）

コンター法の測定原理

グループ長—

3—

IIC REVIEW/2024/04. No.71

図3

検討対象（高レベル放射性廃棄物の地層処分容器：オーバーパック）

590mm、高さ 1555mm）で、厚さ 65mm の円筒胴とム溶接を用いることとし、図 4 に示す蓋部模擬溶

厚さ 100mm の蓋を溶接する構造となっている。

接試験体を用いて入熱条件や溶接深さを変えた

本容器は高レベル放射性廃棄物（ガラス固化体）の7 ケースについて溶接試験を行った。また、有限地層処分に供する容器として検討されているもの

要素法を用いてそれぞれの試験条件を模擬した溶であり、容器の応力腐食割れに対する長期健全性

接残留応力解析を実施し、溶接部表面および表面確保のため、溶接部の残留応力予測および残留応近傍の試験体内部の残留応力が低くなる条件を選力を低減する溶接施工法の選定が重要な課題と定して、残留応力測定に供する試験体とした。表 1なっている。に選定した溶接試験条件を、図 5 に溶接部の断面

本検討では、溶接施工性等の観点から電子ビー

図4
表1

マクロ写真を示す。

蓋部模擬溶接試験体

残留応力測定に供する溶接試験体の溶接条件

溶接深さ[mm]

ビーム電流
[mA]

加速電圧
[kV]

ビーム出力
[kW]

溶接速度
[mm/min]

65190

150

28.5400

—4—

図6
図5

残留応力測定に供する溶接試験体
溶接部の断面マクロ写真

コンター法による残留応力測定位置

3. 残留応力測定結果の検証
3.1 iDHD 法による残留応力測定

2.2 コンター法による残留応力測定

コンター法による残留応力測定結果の妥当性検コンター法による残留応力測定位置は、図 6 に証のため、コンター法による残留応力測定に供する示すように試験体の溶接方向中央断面とした。測試験体と同条件で製作した別試験体を用いて iDHD定位置をワイヤー放電加工で切断し、三次元座標法を用いた残留応力測定を行った。DHD 法（Deep

測定器で測定した切断面形状を元に、有限要素法

Hole Drilling 法：深穴穿孔法）は前号で説明したよを用いた弾性解析により溶接線方向応力分布を同うに、応力測定位置に空けた小さな参照穴の周辺定した。図 7 に弾性解析に用いた解析モデルと測を放電加工でコア抜きし、コア抜き前後の参照穴定の結果得られた溶接線方向応力分布を示す。

径の変化量から残留応力の深さ方向分布を測定す[MPa]（a）解析モデル（切断後形状）

図7（b）残留応力測定結果（溶接線方向応力）

コンター法による残留応力測定—

5—

IIC REVIEW/2024/04. No.71

る手 法（図 8 参 照）であり、iDHD 法（incremental解析結果と併せて示す。

DHD 法）は溶接部のような高応力部の測定のため
3.2 有限要素法（FEM）による残留応力解析に改良された手法である。
iDHD 法による残留応力測定位置は図 9 に示す

本検討では残留応力測定を行う試験体選定のたように溶接方向中央断面から 15mm ないし 25mmめ、それぞれの試験体を対象に溶接残留応力を解離れた断面で溶接線中心から 0mm（iDHD ①）、析した。ここでは当該試験体の残留応力解析につ10mm（iDHD ②）、20mm（iDHD ③）の 3 箇所としいて説明する。
残留応力解析は、図 10 に示すように試験体のた。iDHD 法による測定結果は後述する残留応力拘束板も含め、溶接試験体全体をモデル化対象とした。解析には汎用 FEM コード ABAQUS 2019 を用い、溶接入熱による非定常熱伝導解析、および熱伝導解析の結果得られる解析モデル全体の温度時刻歴データを熱荷重として与える熱弾塑性解析により溶接試験体全体の残留応力分布を計算した。ここで熱伝導解析では図 5 に示した断面マクロの溶け込み領域に入熱し、溶接熱源の移動とともに入熱部を移動させる非定常解析を用いた。解析モデルに与える入熱量は、図 11 に示す位置に設置した熱電対で測定した温度時刻歴データと、温度計測位置に該当する節点の温度解析結果が合うように調整した。図 12 に熱伝導解析結果（温度計測位置における温度データの比較）、図 13 に残留応力解析結果を示す。

（3）

図8DHD 法による残留応力測定

図9iDHD 法による残留応力測定位置

図 10—

6—

残留応力解析モデル

（a）試験体表面（円筒容器外面側）（b）試験体裏面（円筒容器内面側）

図 11溶接試験における温度計測位置

TC1TC2TC3150200

TC1-FEM

TC2-FEM

TC3-FEM

350300温度(℃)

250200150100500250300

350

400450500550

時間(sec)

図 12温度計測位置における温度測定結果および FEM 解析結果

[MPa]
[MPa]


（a）溶接線直交方向応力（Y 方向）

図 13（b）溶接線方向応力（Z 方向）残留応力解析結果
—7—IIC REVIEW/2024/04. No.71

3.3 残留応力解析結果および測定結果

での FEM 解析結果の比較を図 14 に示す。また、（コンター法、iDHD 法）の比較

3 箇所の iDHD 法での残留応力測定位置におけるコンター法で測定した試験体の溶接方向中央断結果の比較を図 15 に示す。

面における溶接線方向応力分布、および同じ断面[MPa]（a）コンター法

コンター法での残留応力測定結果と FEM による残留応力解析結果

800

800

600

600

Residual stress, MPa

Residual stress, MPa

図 14（b）FEM

4002000-200-4000102030405060

Distance from front surface, mmContouriDHDFEM

4002000-200-40070（a）iDHD ①位置

0102030405060

Distance from front surface, mmContouriDHDFEM70

（b）iDHD ②位置Residual stress, MPa

800
6004002000-200-4000102030405060

Distance from front surface, mmContour
iDHDFEM70

（c）iDHD ③位置

図 15（d）iDHD 測定位置

iDHD 位置における残留応力の深さ方向分布の比較—

8—

4. まとめ

参考文献

厚板の電子ビーム溶接を対象にコンター法によ（1） 高倉大典：残留応力測定概論（その 1：残留応る残留応力測定を実施し、iDHD 法による残留応力の発生原因と種々の測定法）、IIC REVIEW、力測定結果および FEM 残留応力解析結果と比較

No.70、2023/10、pp.2-8

した。以下にその結果をまとめる。

（2） M. B. Prime：Cross-Sectional Mapping of Residual① コンター法で得られた残留応力は FEM 残留Stresses by Measuring the Surface Contour After a

応力解析結果とよく似た分布となっており、

Cut, Journal of Engineering Materials and

溶接線中心の両脇で応力のピークが生じる

Technology, Vol.123, 2001
（3） A. H. Mahmoudi, S. Hossain, C. E. Truman, D. J.という分布形状もよく一致している。
② iDHD 法での測定箇所で比較した残留応力のSmith, M. J. Paview：A New Procedure to Measure

深さ方向分布形状についても、コンター法とNear Yield Residual Stresses Using the Deep HoleiDHD 法の応力分布はよく一致している。

Drilling Technique、Experimental Mechanics,

以上より、コンター法の残留応力測定結果は妥

Vol.49, No.4, 2009

当であり、応力の二次元マップが得られるという（4） 高倉、藤社、本間、小川、鈴木、根本：コン

意味で残留応力測定の強力なツールであると言えター法を用いたオーバーパック蓋部模擬溶接る。

試験体の残留応力測定、溶接学会全国大会講演概要、Vol.113、2023、pp.264-265

この成果は、原子力発電環境整備機構の委託に（5） 小川、鈴木、根本、藤社、本間、田辺、高倉：より 2022 年度に実施したオーバーパックの溶接（4）（5）

技術の開発の成果の一部である。

炭素鋼オーバーパックの電子ビーム溶接部における残留応力の溶接条件依存性、溶接学会
全国大会講演概要、Vol.113、2023、pp.254-255

計測事業部 計測技術部
磯子グループグループ長

高倉 大典
TEL. 045-759-2085
FAX. 045-759-2119—

9—

IIC REVIEW/2024/04. No.71