溶接中の不均一な入熱により、部品の内部温度場、応力場、微細構造が急速に変化し、不均一な弾塑性変形が容易に発生する可能性があります。したがって、溶接技術で加工されたワークは、他の加工方法に比べて残留応力の影響を受けやすくなります。

01.溶接応力の種類

溶接構造物に存在する応力は、その原因と性質から大きく2つに分類できます。

熱応力:溶接プロセス中の不均一な加熱と冷却によって生じる応力。溶接プロセス中に変化する瞬間的な応力です。

相転移応力:溶接工程における接合部の不均一な組織変形による応力は、炭素当量が高い場合や溶接工程が不適切な場合に発生することが多いです。

拘束された応力:構造自体または溶接プロセス中の外部拘束によって生じる応力。

水素誘発ストレス:溶接後の微小欠陥における拡散水素の蓄積によって生じる溶接接合部の局所応力。水素含有量が多いと生成しやすくなります。

溶接残留応力

溶接後に構造内に存在する応力は、溶接残留応力とも呼ばれ、構造内の任意の断面における内部応力の自己平衡化です。

さまざまな溶接応力の大きさや分布は、溶接材料や鋼材の特性（強度や膨張係数など）、溶接加工方法、入熱量、加工パラメータ、溶接組立順序や操作方法、構造などに関係します。それ自体、または外部制約、溶接環境条件など。これらは組み合わせて、または重ね合わせて現れることがよくあります。

02 溶接応力の危険性

溶接割れの原因となる

温度、組織、構造剛性制約の相互作用の下で、溶接応力が特定の値に達すると、さまざまな熱割れ、冷割れなどの主な原因となり、構造の品質に影響を及ぼし、潜在的な危険を引き起こします。溶接部分の修理や廃棄につながります。

構造物の耐荷重能力を低下させる

(1) 溶接部品の残留応力と加工応力の重畳により、部品が耐えられる応力レベルは増加しますが、実際には、構造体の耐荷重能力が低下したり、構造体の強度安全マージンが低下したりします。

(2) 応力レベルが材料の降伏限界を超えると、接合領域に引張塑性変形が発生し、材料の塑性の一部が消費されます。

(3) 厚肉構造物の溶接部では、三次元的に交差する溶接部や溶接部の欠陥により三軸引張応力が発生し、材料の塑性変形能力が低下し、低応力脆性破壊の起点となる可能性があります。

(4) 低サイクル疲労荷重下では、長期間使用された構造物では引張残留応力が高く、ある程度の変形が生じる可能性があります。

応力腐食の原因となる

残留引張応力が存在すると、腐食性媒体中でワークピースの構造に応力腐食割れが発生し、応力腐食や低応力脆性破壊が発生します。

構造寸法の安定性に影響を与える

特に溶接後に加工が必要な構造物では、加工後に内部応力のバランスが崩れ、構造変形や加工寸法の不安定が発生します。

03 溶接応力に影響を与える要因

構造形状の影響

(1) タブレットのドッキング。縦溶接および横溶接における残留応力の分布を図 1 に示します。

(2) 圧力容器シリンダーの周方向の継ぎ目。縦方向溶接における残留応力の大きさと分布は、シリンダーの直径、シリンダー壁の厚さ、圧縮塑性変形ゾーンの幅に関係しており (図 2 を参照)、残留応力の増加とともに増加します。シリンダーの直径は、塑性変形ゾーンの拡大に伴って減少します。

図1 平板の突合せ接合部の残留応力分布

図２ 円筒周継目の縦溶接における残留応力分布

厳格な制約の影響

(1) タブレットのドッキング。溶接前に2枚の鋼板が横方向に強固に拘束されており、溶接後の縦方向の応力に大きな影響を与えません。 2 つの横側面には単一の引張応力があります (図 3 を参照)。幅の狭いプレートでは拘束応力が高くなりますが、幅の広いプレートでは拘束応力が低くなります。長い溶接の場合、最初の溶接端の応力は比較的小さくなります。外部拘束を除去した後、拘束応力が除去され、残留応力が再配分されます。

(2) 埋め込みブロック接続の閉じた溶接シーム。シェル構造にはパイプソケットまたはインサートがあり、強力な剛性拘束を提供します。剛性が高くなるほど内部応力も大きくなります。埋め込まれたブロックの長手方向応力 (つまり、接線応力 σ t ) (図 4 に示す) は、溶接シーム付近の引張応力であり、最大 σ s に達する可能性があります。横方向応力 (すなわち、半径方向応力 σ r) も溶接シーム付近の引張応力です。インレーの中心 (σ t = σ r) には、双方向の応力場が存在します。インレーの直径が小さいほど、双方向の応力値は高くなります。テークオーバー溶接部の応力は継手の形状に関係しており、アウターシートタイプの応力は小さくなります。プラグインタイプなので高剛性、高応力です。

図 3: 溶接応力に対する厳格な拘束の影響

図 4 ディスクインサートブロックの閉じた溶接シームの溶接応力

板厚と溝形状の影響

残留応力の分布は板厚によって変化し、溶接軸に垂直な横応力σ y は無視できません。 2.25Cr-1Mo極厚板の多層サブマージアーク溶接における残留応力の測定値。表面近くの残留応力がピークに達し、この二方向または三軸応力がこのタイプの鋼溶接部で横方向亀裂が発生する重要な理由であることに注意してください。 V 字開先をダブル V 字開先に変更すると、図 6 に示すようにダブル V 字開先の根元に圧縮応力が発生し、溶接割れの回避に効果があります。 a) 試験片; b) 厚さ55mmのプレート: c) 厚さ100mmのプレート

図6 二重V形開先の対称溶接時の残留応力分布

溶接プロセスパラメータの影響

溶接入熱の増加に伴い加熱幅と残留応力が増加し、引張残留応力の幅も増加します。

溶接方向の影響

横方向残留応力は、溶接シームとその隣接する塑性変形ゾーンの縦方向および横方向の収縮によって引き起こされる応力合成です。そのサイズと分布は、プレートの長さと溶接方向に関係します。中心から両端に向かって溶接する場合、中心が圧縮応力となり、中心が圧縮応力となります。両端から中心に向かって溶接すると、図 7 に示すように両端に圧縮応力が発生します。 a) 中心から両端に溶接する。 b) 両端を中心に向かって溶接します。

図 7: 横方向残留応力の分布に対する溶接方向の影響

相転移の影響

高炭素当量の高張力鋼を溶接すると、HAZ と溶接の微細構造がオーステナイトからマルテンサイトに変態し、その結果、比体積が増加します。この転移温度では、材料は弾性を取り戻し、その結果、相転移応力が生じます。これには、不均一な塑性変形によって引き起こされる溶接応力が重畳されており、これは相転移領域の圧縮応力である可能性があり、体積（三軸）膨張によって特定の領域に大きな横方向の引張引張応力が生じる可能性もあり、これが主な要因の 1 つです。コールドクラッキングに。

04 溶接応力の防止と軽減方法

合理的な溶接順序と方向を採用する

基本原則は、継ぎ目を平らな面に溶接する場合、縦方向と横方向の収縮は比較的自由である必要があるということです。最初に突合せ溶接を溶接し、次に隅肉溶接を溶接するなど、構造内で収縮が最も大きい溶接を最初に溶接する必要があります。クロス溶接を溶接する場合、溶接順序では、交点に欠陥が発生しにくく、剛性が低いことを確認する必要があります。図 8 に示すように、ABC は合理的であり、D は不合理です。

図8 十字溶接の溶接順序

溶接入熱をできるだけ少なくするようにしてください。

溶接入熱が小さいと、不均一な加熱ゾーンの範囲と溶接収縮の量を減らすことができます。運用では、小径溶接棒、多層多パス溶接、低電流高速ノンスイング溶接、集中溶接熱源などの高エネルギー溶接法を使用して、セグメント溶接およびセグメント逆溶接の層間温度を制御します。入熱を減らすため。

全面予熱の採用

全体的な予熱は、溶接熱サイクルにおける不均一な膨張と収縮によって引き起こされる不均一な塑性変形を軽減し、溶接応力を軽減するために、溶接継手領域と構造全体の温度差を減らすことができます。例えば、鋳鉄の熱間溶接では、鋳物を600℃まで加熱します。

ハンマー

溶接後、溶接ビードを素早く均一にハンマリングすると溶接金属が塑性変形し、溶接変形や溶接応力を軽減できます。一般に、平たい、長い、丸い頭のハンマー (ノミで改造することはできますが、尖った先端にはできません) を使用して、2 mm の範囲に影響を与える適度な力で順番に叩く必要があります。溶接ビードの長さとハンマリング温度は材料特性に基づいて選択する必要があります。一般に、ルート溶接ビードは亀裂を避けるためにハンマーで叩いてはいけません。また、カバー溶接ビードは外観への影響を避けるためにハンマーで叩いてはいけません。

水素の影響を軽減する

特に冷間割れが発生しやすい高張力合金鋼の場合は、水素の影響を軽減することに注意する必要があります。低水素溶接棒とアルカリ性フラックスを使用し、規定に従って乾燥シリンダーに入れて乾燥・保管しておけば、必要に応じて開先表面の水分・油分・錆等の除去、溶接環境温度の管理、必要に応じて、状況に応じて溶接後直ちに250℃で2～3時間、または350℃で1～2時間加熱する脱水素処理を行ってください。

ストレス解消治療

溶接残留応力の除去は、溶接部付近に引張塑性変形を生じさせ、残留塑性変形の程度を低減することで実現します。
（１）歪取り熱処理（歪取り焼鈍）。絶縁時のクリープによる応力緩和に必要な塑性変形を生じさせるため、溶接構造全体または局所的に絶縁用鋼の相転移点より20～30℃低い温度に加熱します。一定の温度で1時間程度保持すると効果的に応力を除去でき、厚肉構造の熱処理に必要な時間のほとんどは加熱と冷却に費やされます。この方法により、一般に残留応力の 70% ～ 90% を緩和できます。同時に、ほとんどの鋼溶接領域の材質も改善されました。焼き戻し脆性や再加熱亀裂が発生しやすい材料の場合、加熱速度と絶縁温度を慎重に選択することが重要です。

(2) 積載方法。機械的原理を使用して、溶接継手の残留応力ゾーンに荷重を加えて塑性変形を誘発し、荷重を軽減した後に接合ゾーンの引張力を緩和します。この方法は、降伏強度が比較的低いプラスチック材料にのみ適用でき、水温が材料の脆性転移温度を超えることに注意する必要があります。ハンマーで叩く方法もこの原則に従う必要があります。近年では爆発応力緩和法や振動応力緩和法も開発されています。

（３）温度差延伸法（または低温応力除去法）。溶接シームの各側面を適切な酸素アセチレントーチで加熱し、後方の一定距離にある排水パイプで水をスプレーし（図 9 を参照）、等距離を維持して両側に高温の温度場（約 200 ℃）を作成します。溶接部の温度が低い（約100℃）。これにより、両側で熱膨張が発生し、溶接シームの引張塑性変形が生じ、元の収縮塑性変形が相殺され、残留応力が緩和されます。この方法は低炭素鋼では大きな問題はありませんが、合金鋼では温度が材質に与える影響に特に注意が必要です。

図9 温度差延伸法